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《江南大学》 2018年
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燃料电池用碳纤维纸的制备与性能研究

桑明珠  
【摘要】:燃料电池是一种高效、简单的清洁能源,在全球受到世人瞩目。碳纤维纸由于其优异的性能,通常作为燃料电池气体扩散层的基底材料,碳纤维纸的结构和性能对燃料电池的性能产生相当重要的影响。碳纤维表面光滑,纤维之间结合力较低,故需要添加造纸助剂来改善纸的匀度及其综合性能。本文采用碳纤维为原料,以湿法造纸技术为基础,系统地探讨了分散剂、聚乙烯醇(PVA)、填料对碳纤维纸综合性能的影响。研究了聚氧化乙烯、Tween-80、阴离子聚丙烯酰胺(APAM),PVA,碳纳米管、导电碳黑、石墨烯对碳纤维纸性能的影响。结果表明:随着分散剂、PVA含量的增加,碳纤维纸孔隙率上升,拉伸强度增大,电阻率减小。当APAM含量为0.15 wt%时,碳纤维纸的性能相对最佳,碳纤维纸拉伸强度33.60 MPa,电阻率为26.80 mΩ·cm,孔隙率为63.16%。当PVA含量为7 wt%时,碳纤维性能相对最佳,拉伸强度为34.46 MPa,体积电阻率为22.36 mΩ·cm,孔隙率为63.56%。随着填料含量的增加,碳纤维纸拉伸强度增大,电阻率减少。当导电碳黑含量为7 wt%时,碳纤维性能相对最佳,拉伸强度为41.76 MPa,体积电阻率为10.76 mΩ·cm,孔隙率为50.96%。为了提高碳纤维纸的强度及电学性能,采用腰果酚和酚醛树脂协同改性的酚醛树脂为浸渍剂,研究了腰果酚含量对碳纤维纸结构和性能的影响。结果表明:随腰果酚含量增加,碳纤维纸孔隙率增大,力学性能提高,电阻率减小。当腰果酚含量为20%,石墨烯含量为5%时,碳纤维纸性能最优,孔隙率为67.46%,电阻率为18.46 mΩ·cm;拉伸强度为38.17 MPa。碳纤维纸性能提高的主要原因是纤维与基体界面的结合程度增大。为了改善碳纤维纸的匀度及其性能,以碳纳米管和石墨烯协同改性的碳纤维为原料,探究了碳纳米管、石墨烯的含量及比例对碳纤维纸结构和性能的影响。结果表明:随碳纳米管/石墨烯含量增加,碳纤维纸厚度不变、密度增加,孔隙率减小,拉伸强度先增加后减小,电阻率先减小后增加。随碳纳米管/石墨烯比例增加,碳纤维纸厚度、密度不变,孔隙率增大,拉伸强度减小,电阻率增加。当碳纳米管/石墨烯含量为0.2%时(碳纳米管:石墨烯为1:2),此时碳纤维纸拉伸强度和电阻率达最佳值,分别为41.37 MPa,13.52 mΩ·cm,比未改性的碳纤维纸提高了37.08%和43.1%。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TS761;TM911.4

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