短碳纤维增强酚醛树脂/石墨复合材料的制备与力学行为研究

论文摘要

研究开发新型双极板材料，降低双极板的成本以促进燃料电池的商业化发展是国内外共同关注的研究课题。本文在总结目前双极板材料及制备工艺的研究现状基础上，重点研究了采用于混低温热模压成型工艺制备酚醛树脂／石墨双极板复合材料，充分利用模压工艺简单、酚醛树脂价格便宜以及我国石墨储量丰富且质优见长的有利条件，本着实用的目的，使双极板材料满足低成本、易于加工成型、导电导热性能好、强度高、致密性强、运行环境中耐化学腐蚀等要求。 首先，对湿混冷模压低温成型与干混低温热模压成型两种工艺进行了对比试验研究，确定以干混低温热模压成型工艺进行课题研究。湿混冷模压低温成型产品突出表现为外观不够致密，颜色深浅不一，表面存在大量裂纹。与湿混冷模压低温成型工艺相比，干混低温热模压成型产品表现为外观质量以及材料性能较好，该工艺过程采用酚醛树脂干粉料，易于混料均匀，固化过程中保温保压同时进行，保压措施有利于酚醛树脂向各个方向流动，实现石墨之间各个方向的结合，形成牢固均匀的三维网络结构，使材料表现出优良的综合性能。 根据美国能源部（DOE）对碳质填料／聚合物复合材料双极板的性能要求，以抗弯强度与电导率作为重点考虑的目标，利用均匀试验法（多因素同时考虑）以及重复试验法（单因素考虑）对酚醛树脂含量以及固化温度、固化压力、固化时间等模压工艺参数进行了优选，分析了复合材料力学性能与导电性能的影响因素与影响机理。研究得到：（1） 酚醛树脂含量是影响复合材料导电性能与力学性能的主要因素，复合材料的抗弯强度随着酚醛树脂含量的增多而增加，电导率随着酚醛树脂含量的增多而降低且变化明显。酚醛树脂质量分数小于20wt％时，复合材料能满足双极板的导电性能要求、但力学强度偏低、材料脆性较大；（2） 在相同的酚醛树脂含量下，提高固化温度与固化压力，可以提高材料的抗弯强度，但要明显降低材料的导电性能。适中的固化压力与固化温度有利于在材料中形成均匀的粘结面贯穿网络，使材料均匀致密、表现出较好的力学性能与导电性能；（3） 固化时间45min后，材料就具有较高的抗弯强度，试验中可选择固化时间60min；（4）通过优选，本文两种试验方案的结果（见表3-5）基本接近美国能源部（DOE）对碳质填料／聚合物复合材料双极板的性能要求，而且接近或好于国外已有的研究结果（见表3-6）。 针对酚醛树脂／石墨双极板复合材料存在强度较低、脆性较大的弱点，提出了

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 双极板的功能与要求
• 1.2.1 PEMFC工作原理
• 1.2.2 双极板材料的功能与要求
• 1.3 燃料电池双极板材料的研究进展
• 1.3.1 金属基双极板材料的研究现状
• 1.3.1.1 金属双极板
• 1.3.1.2 金属化合物双极板
• 1.3.1.3 表面改性处理的金属双极板
• 1.3.2 复合双极板的研究现状
• 1.3.3 石墨基双极板材料的研究现状
• 1.3.3.1 机加工成型石墨双极板
• 1.3.3.2 树脂/石墨复合材料双极板
• 1.3.3.3 纤维增强树脂/石墨复合材料双极板
• 1.3.3.4 柔性石墨（可膨胀石墨）双极板
• 1.4 碳纤维表面处理的研究进展
• 1.4.1 气相氧化法
• 1.4.2 液相氧化法
• 1.4.3 电化学氧化法
• 1.4.4 表面涂层处理
• 1.4.4.1 气相沉积法
• 1.4.4.2 表面电聚合
• 1.4.4.3 偶联剂涂层
• 1.4.4.4 聚合物涂层
• 1.4.4.5 表面生成晶须法
• 1.4.5 等离子体处理
• 1.5 课题的提出
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 酚醛树脂/石墨双极板复合材料的制备工艺
• 2.1 湿混冷模压低温成型工艺试验研究
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验设备
• 2.1.3 混料及固化成型工艺
• 2.1.4 试验结果分析
• 2.2 干混低温热模压成型工艺试验研究
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验设备
• 2.2.3 混料及固化成型工艺
• 2.2.4 试验检测方法
• 2.2.5 试样结果
• 2.2.6 试验结果分析
• 2.3 两种工艺条件下材料性能的对比
• 2.4 本章小结
• 第3章 干混低温热模压工艺参数与树脂含量的优选
• 3.1 DSC差热分析
• 3.2 均匀试验与结果分析
• 3.2.1 均匀试验中因素的取值
• 3.2.2 试验结果分析
• 3.3 固化时间单因素的优选
• 3.3.1 试验因素的取值
• 3.3.2 试验结果分析
• 3.4 固化温度与固化压力的优选
• 3.5 酚醛树脂含量的优选
• 3.5.1 酚醛树脂含量的取值
• 3.5.2 酚醛树脂含量对材料抗弯强度与电阻率的影响
• 3.6 SEM扫描与显微组织
• 3.7 研究结果的对比
• 3.8 本章小结
• 第4章 碳纤维增强酚醛树脂/石墨复合材料的制备与性能
• 4.1 纤维增强复合材料的设计原则
• 4.2 碳纤维的基本性能
• 4.3 试样制备与试验方法
• 4.3.1 碳纤维的表面处理
• 4.3.2 试样制备
• 4.3.3 试验检测方法
• 4.4 试验结果与性能分析
• 4.4.1 未进行碳纤维表面处理复合材料的性能
• 4.4.2 表面处理碳纤维复合材料的性能
• 4.4.3 碳纤维含量对复合材料性能的影响
• 4.4.4 添加碳纤维复合材料性能的对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 应力传递理论
• 5.1 已有应力传递理论概述
• 5.1.1 简单剪滞法
• 5.1.2 高级剪滞法
• 5.1.3 普遍剪滞法
• 5.1.4 剪切滑移法
• 5.2 外界应力作用的剪切滑移法应力传递理论
• 5.2.1 力学模型
• 5.2.2 沿纤维轴向的外界应力单独作用
• 5.2.3 与纤维轴向成任意角度的外界应力单独作用
• 5.3 考虑温差应力作用的剪切滑移法应力传递理论
• 5.3.1 沿纤维轴向的外界应力与温差应力共同作用
• 5.3.2 与纤维轴向成任意角度的外界应力与温差应力共同作用
• 5.4 本章小结
• 第6章 断裂失效的特征与增韧机理
• 6.1 界面结合状态对复合材料失效破坏方式的影响
• 6.2 短碳纤维与酚醛树脂/石墨基体的界面结合状态
• 6.3 短碳纤维增强酚醛树脂/石墨复合材料的增韧机理
• 6.3.1 失效破坏模型
• 6.3.2 增韧机理的定性分析
• 6.3.3 增韧机理的定量分析
• 6.3.3.1 脱粘摩擦功
• 6.3.3.2 纤维拔出功
• 6.3.3.3 纤维断裂功
• 6.4 本章小结
• 第7章 力学参量的预估理论
• 7.1 抗弯强度预估理论
• 7.1.1 抗弯强度预估公式
• 7.1.1.1 短碳纤维的长度影响系数
• 7.1.1.2 短碳纤维的取向影响系数
• 7.1.2 抗弯强度预估公式的验证
• 7.2 模量预估理论
• 7.2.1 单向短纤维复合材料的模量预报
• 7.2.2 单向短纤维复合材料的正轴宏观本构方程
• 7.2.3 单向短纤维复合材料的偏轴宏观本构方程
• 7.2.4 杂乱取向短纤维复合材料的宏观本构方程
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获得的成果和专利
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表