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机械设计及理论专业论文.docxVIP

摘要摘 摘要 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，重点研究了采用干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，确定以干混低温熟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 V 山东大学博士学位论文利用碳纤维增强增韧的技术解决方案。研究了碳纤维表面处理方法以及碳纤维含 山东大学博士学位论文 利用碳纤维增强增韧的技术解决方案。研究了碳纤维表面处理方法以及碳纤维含 量对复合材料导电性能与力学性能的影响。研究得到：(1)空气氧化处理，碳纤 维表面形成微孔和刻蚀沟槽，容易形成应力集中，复合材料的强度不高；空气加 液相氧化处理弥补填充了碳纤维表面的微裂纹，对复合材料有一定的补强作用： 液相氧化处理有利于提高碳纤维表面活性以及碳纤维的均匀分散性，复合材料的 力学性能与导电性能最好；(2)随碳纤维含量增多，材料电导率一直变小，材料 强度开始增大，之后随碳纤维含量增加材料强度下降。碳纤维含量低于2wt％时， 材料强度较低，碳纤维含量高于5wt％时，材料强度开始下降。(3)对碳纤维进行 液相氧化处理，碳纤维含量3wt％---4wt％时复合材料的力学性能与导电性能最好。 根据SEM断口形貌得到，碳纤维与酚醛树脂／石墨基体处于次弱界面结合状 态。在次弱界面结合状态下，复合材料受力时，纤维与基体在界面上会存在应变 差而导致滑移。本文中利用剪切滑移法分析应力传递机理，得到了短碳纤维中应 力分布以及界面剪应力分布的解析公式，分别考虑了外界应力单独作用以及外界 应力与温差应力共同作用两种工况。 短碳纤维与酚醛树脂／石墨基体处于次弱界面结合状态，试验结果表明复合材 料受载时基体可以有效地将载荷传递给纤维，一定程度地提高复合材料的强度， 同时界面层表现出纤维脱粘、纤维拔出等韧化机制。试验得到添加碳纤维前后， 复合材料分别呈脆性断裂与韧性断裂方式．通过能量吸收机制的理论分析得到： 纤维的脱粘、拔出以及对基体裂纹面的桥接作用是所研究复合材料主要的增韧机 制。 利用复合材料力学理论，给出了短碳纤维增强酚醛树脂／石墨复合材料的抗弯 强度预估公式，考虑了纤维长度以及纤维取向对复合材料强度的影响，并给出了 纤维长度影响系数以及取向影响系数的计算公式。 利用复合材料力学理论，首先建立了短碳纤维增强酚醛树脂，石墨复合材料中 碳纤维单向排列时，复合材料的宏观正轴与偏轴本构方程，然后将偏轴刚度矩阵 中的刚度系数沿纤维可能的取向取平均值，建立了短碳纤维杂乱取向时复合材料 的宏观本构方程，进一步得到了这种近似各向同性复合材料的弹