CN114248001A - 一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 - Google Patents
一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114248001A CN114248001A CN202110773857.7A CN202110773857A CN114248001A CN 114248001 A CN114248001 A CN 114248001A CN 202110773857 A CN202110773857 A CN 202110773857A CN 114248001 A CN114248001 A CN 114248001A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bipolar plate
- laser processing
- laser
- group
- processing equipment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 77
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 66
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 66
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 50
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 19
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 13
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 abstract description 12
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 abstract description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229920001600 hydrophobic polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0652—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/60—Preliminary treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统，包括控制器、多组激光加工设备和真空气相沉积炉，本发明中通过激光经聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描，形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道，然后通过对双极板流道的表面沉积疏水涂层的方式，使沉积后的双极板流道由于疏水涂层的作用由超亲水流道转变为超疏水流道，最后通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层，使双极板流道的表面既具有疏水性又具有亲水性，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及双极板技术领域，具体而言，涉及一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统。
背景技术
双极板是燃料电池的核心部件之一，石墨树脂材料是燃料电池双极板的理想材料。
图1为燃料电池阴极侧的示意图，参见图1，由下至上的箭头为气体的输运方向，由上至下的箭头为反应水的输运方向，催化层20生成反应水，通过多孔的气体扩散层30，向双极板40的方向流动。反应水一般从疏水的地方流道亲水的地方。如果双极板40的流道50的壁面比气体扩散层30更加疏水，那么反应水就容易留在气体扩散层30里，发生水淹现象，阻碍气体从流道50输运到催化层20。此时流道50内的反应水不容易堆积，方便被排出。如果双极板40的流道50的壁面比气体扩散层30更加亲水，那么反应水就容易从气体扩散层30流到流道50里。此时反应水容易在亲水的流道50里堆积，堵塞流道50，从而阻碍气体在流道50内的输运，发生水淹现象。
为了避免水淹现象即反应水在流道50或者气体扩散层30内发生大量堆积，阻塞气体输运到催化层20，需要研究双极板流道的浸润性即亲/疏水性对燃料电池水管理的影响，从而研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响，其中，浸润性是指一种液体保持与一个固体表面接触的能力。
目前，现有的石墨树脂材料双极板的加工通常基于模具热压成型或模压-浸渍成型，而成型后的流道表面一般比较光滑，无法形成较强亲水/疏水性的浸润性特征，这就导致无法对双极板流道的浸润性进行调控，进而无法系统研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响。
发明内容
本发明提供了一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。具体的技术方案如下。
第一方面，本发明实施例公开了一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统，所述激光加工系统包括控制器、多组激光加工设备和真空气相沉积炉；
每组激光加工设备至少包括皮秒激光器、振镜和聚焦场镜，所述聚焦场镜安装于所述振镜的出口，石墨树脂材料基材设置于所述聚焦场镜的下方；
所述控制器与每组激光加工设备中的皮秒激光器电连接，所述控制器分别发送待加工流道尺寸特征至各组激光加工设备的皮秒激光器；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描得到双极板流道，其中，扫描时产生的石墨树脂材料的微纳米颗粒覆盖于所述双极板流道的表面，所述表面的接触角为0°；
所述真空气相沉积炉对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层得到沉积后的双极板流道，其中，所述沉积后的双极板流道的表面的接触角大于150°；
所述控制器发送定点扫描信息至每组激光加工设备中的皮秒激光器；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的定点扫描信息射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对所述沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描得到扫描后双极板流道，其中，每个定点扫描区域的接触角为0°。
可选的，每组加工设备还包括反射镜；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光经该组激光加工设备的反射镜反射至该组激光加工设备的振镜。
可选的，上述激光加工系统还包括移动平台，所述移动平台与所述控制器连接，所述移动平台设置于各组激光加工设备的聚焦场镜的下方，各石墨树脂材料基材固定于所述移动平台的上方；
所述控制器发送移动信息至所述移动平台；
所述移动平台根据接收到的移动信息进行移动。
可选的，所述聚焦光斑的直径的量级为微米量级。
可选的，所述疏水涂层为硅烷疏水涂层。
可选的，每个定点扫描区域的面积量级为10微米量级。
可选的，上述激光加工系统还包括显示器，所述控制器与所述显示器电连接，所述控制器发送显示信息至所述显示器进行显示。
由上述内容可知，本发明实施例提供的一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统包括控制器、多组激光加工设备和真空气相沉积炉；每组激光加工设备至少包括皮秒激光器、振镜和聚焦场镜，聚焦场镜安装于振镜的出口，石墨树脂材料基材设置于聚焦场镜的下方；控制器与每组激光加工设备中的皮秒激光器电连接，控制器分别发送待加工流道尺寸特征至各组激光加工设备的皮秒激光器；针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描得到双极板流道，其中，扫描时产生的石墨树脂材料的微纳米颗粒覆盖于双极板流道的表面，表面的接触角为0°；真空气相沉积炉对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层得到沉积后的双极板流道，其中，沉积后的双极板流道的表面的接触角大于150°；控制器发送定点扫描信息至每组激光加工设备中的皮秒激光器；针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的定点扫描信息射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描得到扫描后双极板流道，其中，每个定点扫描区域的接触角为0°。在本发明实施例中，通过激光经聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描，可以形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，这使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道，然后通过对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层的方式，使得沉积后的双极板流道由于疏水涂层的作用由超亲水流道转变为超疏水流道，最后通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层，使得双极板流道的表面既具有疏水性又具有亲水性，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
本发明实施例的创新点包括：
1、通过激光经聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描，可以形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，这使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道，然后通过对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层的方式，使得沉积后的双极板流道由于疏水涂层的作用由超亲水流道转变为超疏水流道，最后通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层，使得双极板流道的表面既具有疏水性又具有亲水性，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。
2、通过激光经聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描，可以形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，这使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道。
3、通过对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层的方式，使得沉积后的双极板流道由于疏水涂层的作用由超亲水流道转变为超疏水流道。
4、通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层，使得双极板流道的表面既具有疏水性又具有亲水性。
5、本发明实施例中将双极板流道变成超亲水流道，然后又转变为超疏水流道，最后转变为既具有疏水性又具有亲水性的流道，实现了对双极板流道的浸润性的连续调控。
6、本发明实施例中设置了多组激光加工设备，可以同时对多个双极板流道的浸润性进行调控，提高了加工效率，为加工具有不同浸润性的双极板流道的小规模量产做好了准备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为燃料电池阴极侧的示意图；
图2为本发明实施例提供的调控双极板流道浸润性的激光加工系统的一种流程示意图；
图3(a)为聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描之前的示意图；
图3(b)为聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描之后的示意图；
图4为石墨树脂材料基材在未进行扫描时与水滴的接触示意图；
图5为激光扫描的示意图；
图6为双极板流道的表面与水滴的第一种接触示意图；
图7为表面微纳米结构的结构示意图；
图8为双极板流道的表面与水滴的第二种接触示意图；
图9为聚焦光斑的扫描示意图；
图10对双极板流道沉积疏水涂层的示意图；
图11为沉积后的双极板流道的表面与水滴的第一种接触示意图；
图12为沉积后的双极板流道的表面与水滴的第二种接触示意图；
图13为对沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描的示意图。
图1-图13中，20催化层、30气体扩散层、40双极板、50流道、1控制器、2皮秒激光器、3振镜、4聚焦场镜、5石墨树脂材料基材、6聚焦光斑、7疏水高分子、8亲水石墨、9表面、10表面微纳米结构、11水滴、h表面微纳米结构的高度、t表面微纳米结构的宽度、l每两个相邻的表面微纳米结构之间的距离、12疏水涂层、13移动平台、14显示器、15亲水点、16反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含的一系列步骤或单元的过程、方法、网络、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本发明实施例公开了一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。下面对本发明实施例进行详细说明。
图2为本发明实施例提供的调控双极板流道浸润性的激光加工系统的一种流程示意图。参见图2，激光加工系统包括控制器1、多组激光加工设备和真空气相沉积炉，每组激光加工设备至少包括皮秒激光器2、振镜3和聚焦场镜4，聚焦场镜4安装于振镜3的出口，石墨树脂材料基材5设置于聚焦场镜4的下方。
示例性的，皮秒激光器2的脉宽可以小于10皮秒，此时皮秒激光器1为超快激光器，具有加工精度高、加工效率高和材料选择性高的优点。
控制器1与每组激光加工设备中的皮秒激光器2电连接，在工作时，控制器1分别发送待加工流道尺寸特征至各组激光加工设备的皮秒激光器2，待加工流道形貌尺寸特征为表征待加工流道的形貌的相关尺寸特征，皮秒激光器2依据待加工流道形貌尺寸特征就能够加工出具有对应形貌尺寸特征的流道，示例性的，待加工流道形貌尺寸特征可以包括待加工流道的深度、待加工流道的宽度、待加工流道的弧度以及待加工流道的扫描路径信息。当然并不只限于此，待加工流道形貌尺寸特征所包含的内容有多种，只要是皮秒激光器2依据此待加工流道形貌尺寸特征能够加工出对应的流道的特征均可。
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器2根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光至该组激光加工设备的振镜3，该组激光加工设备的振镜3控制接收到的激光通过聚焦场镜4形成的聚焦光斑6对石墨树脂材料基材5进行扫描得到双极板流道。
图3(a)为聚焦光斑6对石墨树脂材料基材5进行扫描之前的示意图，图3(b)为聚焦光斑6对石墨树脂材料基材5进行扫描之后的示意图，参见图3(a)，由于石墨树脂材料基材5中存在树脂材料，疏水高分子7较多，因此，石墨树脂材料基材5本征疏水。图4为石墨树脂材料基材5在未进行扫描时与水滴的接触示意图，如图4所示，水滴11在与石墨树脂材料基材5的表面接触时，石墨树脂材料基材5的表面的接触角大于90°，示例性的，石墨树脂材料基材5的表面的接触角为100±5°，此时，石墨树脂材料基材5本征疏水性。
但是在聚焦光斑6的烧蚀作用下，如图3(b)所示，大量树脂材料被烧蚀气化，疏水高分子7减少，亲水石墨8较多，使得激光扫描后得到的双极板流道的表面会丧失其本征的疏水性。
图5为激光扫描的示意图，参见图5，在扫描时，由于聚焦光斑6与石墨树脂材料基材5之间产生作用会产生大量的石墨树脂材料的微纳米颗粒，其中，一部分微纳米颗粒消散到周围环境中，另一部分回落到石墨树脂材料基材5的表面即扫描时产生的石墨树脂材料的微纳米颗粒盖于双极板流道的表面9，覆盖于双极板流道的表面9的微纳米颗粒形成尺度为微米量级的表面微纳米结构10，即扫描得到的双极板流道的表面9具有多个表面微纳米结构。
图6为双极板流道的表面9与水滴11的第一种接触示意图，参见图6，水滴11在双极板流道的表面9铺展开并与表面微纳米结构10接触，此时，表面9的接触角为0°，双极板流道的表面9呈现超亲水性，其中，接触角为0°为超亲水性。
由此，通过激光经聚焦场镜4形成的聚焦光斑6对石墨树脂材料基材5进行扫描，可以形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，这使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道。
表面微纳米结构10的结构参数以及聚焦光斑6的扫描参数都会对扫描后得到的双极板流道的表面9粗糙度有影响，从而使得接触角的大小发生改变。图7为表面微纳米结构10的结构示意图，参见图7，表面微纳米结构10的结构参数可以包括表面微纳米结构10的高度h、两个相邻的表面微纳米结构10之间的距离l以及每个表面微纳米结构10的顶端宽度t，每个表面微纳米结构10由石墨树脂材料的微纳米颗粒组成，每个表面微纳米结构10的高度h大于每两个相邻的表面微纳米结构10之间的距离l，每个表面微纳米结构10的顶端宽度t无限接近于0，每两个相邻的表面微纳米结构10之间的距离l的范围在100纳米与100微米之间。对于每个表面微纳米结构10来说，h比l大的越多，t越接近0，疏水处理过后的表面9就会越疏水，对应的接触角会越大。
通过调控激光加工参数可以改变表面微纳米结构10的高度h、两个相邻的表面微纳米结构10之间的距离l以及每个表面微纳米结构10的顶端宽度t，其中，激光加工参数可以包括激光输出功率、激光脉冲频率、聚焦光斑大小、扫描次数、扫描速度、扫描路径、激光脉冲强度和脉冲重复率，其中，聚焦光斑的直径的量级为微米量级，示例性的，聚焦光斑的直径为20μm-50μm。
通过适当减小表面微纳米结构10的高度h，可以使接触角的范围位于0°-90°之间，如图8所示，图8为双极板流道的表面9与水滴11的第二种接触示意图。
示例性的，调控激光脉冲强度小于10J/cm2或者大于140J/cm2，会使接触角减小；调控脉冲重复率小于80％，会使接触角减小。
聚焦光斑6的扫描参数可以包括扫描间距，图9为聚焦光斑6的扫描示意图，参见图9，由上之下的箭头代表扫描方向，由右至左的箭头代表扫描路径，扫描路径上的相邻聚焦光斑6的中心之间的距离为扫描间距，当扫描间距小于聚焦光斑6的尺寸时，扫描后得到的双极板流道的表面9可以被有效粗糙化。
图10对双极板流道沉积疏水涂层的示意图，参见图10，为了调控双极板流道的浸润性，还可以通过真空气相沉积炉对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面9沉积疏水涂层12得到沉积后的双极板流道，沉积后的双极板流道的表面9由于疏水涂层12的作用，由超亲水性转变为超疏水性，其中，接触角大于150°为超疏水性。示例性的，疏水涂层12为硅烷疏水涂层。
图11为沉积后的双极板流道的表面9与水滴11的第一种接触示意图，参见图11，水滴11与疏水涂层12接触，不浸润沉积后的双极板流道的表面9，此时，沉积后的双极板流道的表面的接触角大于150°，沉积后的双极板流道的表面9呈现超疏水性。
由此，通过对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面9沉积疏水涂层12的方式，使得沉积后的双极板流道由于疏水涂层12的作用由超亲水流道转变为超疏水流道。
通过适当增加表面微纳米结构10的高度h，可以使接触角的范围位于90°-150°之间，如图12所示，图12为沉积后的双极板流道的表面9与水滴11的第二种接触示意图。
图13为对沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描的示意图，参见图13，为了继续调控双极板流道的浸润性，控制器发送定点扫描信息至每组激光加工设备中的皮秒激光器2，针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器2根据接收到的定点扫描信息射出激光至该组激光加工设备的振镜3，该组激光加工设备的振镜3控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑6对沉积后的双极板流道的表面9的定点扫描区域进行定点扫描得到扫描后双极板流道，其中，每个定点扫描区域的接触角为0°，图13中的定点扫描区域位于表面微纳米结构10，当然，也可以位于沉积后的双极板流道的表面9的其他位置，这里仅仅是一种示例，并不构成任何限制。
也就是说，通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层12，使得每个定点扫描区域的接触角为0°形成了亲水点15，而除了定点扫描区域以外的区域即疏水区域仍然保持着超疏水性，也就是说此时的双极板流道的表面9既具有疏水性又具有亲水性。
通过调控亲水点的尺寸和间距可以改变疏水区域的占比，从而改变双极板流道的表面浸润性，例如：当表面9的亲水点较少，而疏水区域的占比较大时，表面9就会偏疏水性，而当表面9的亲水点较多，而疏水区域的占比较小时，表面9就会偏亲水性。
示例性的，每个定点扫描区域的面积量级为10微米量级。
由此，通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层12，使得双极板流道的表面9既具有疏水性又具有亲水性。
由上述内容可知，本实施例中，激光加工系统包括控制器、多组激光加工设备和真空气相沉积炉；每组激光加工设备至少包括皮秒激光器、振镜和聚焦场镜，聚焦场镜安装于振镜的出口，石墨树脂材料基材设置于聚焦场镜的下方；控制器与每组激光加工设备中的皮秒激光器电连接，控制器分别发送待加工流道尺寸特征至各组激光加工设备的皮秒激光器；针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描得到双极板流道，其中，扫描时产生的石墨树脂材料的微纳米颗粒覆盖于双极板流道的表面，表面的接触角为0°；真空气相沉积炉对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层得到沉积后的双极板流道，其中，沉积后的双极板流道的表面的接触角大于150°；控制器发送定点扫描信息至每组激光加工设备中的皮秒激光器；针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的定点扫描信息射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描得到扫描后双极板流道，其中，每个定点扫描区域的接触角为0°。在本发明实施例中，通过激光经聚焦场镜4形成的聚焦光斑6对石墨树脂材料基材5进行扫描，可以形成表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道，这使得双极板流道的表面粗糙度发生了改变，进一步使得双极板流道变成超亲水流道，然后通过对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面9沉积疏水涂层12的方式，使得沉积后的双极板流道由于疏水涂层12的作用由超亲水流道转变为超疏水流道，最后通过定点扫描的方式移除了定点扫描区域的疏水涂层12，使得双极板流道的表面9既具有疏水性又具有亲水性，能够对双极板流道的浸润性进行调控，从而为研究双极板流道的浸润性对燃料电池的性能的影响提供了基础。
并且，本发明实施例中将双极板流道变成超亲水流道，然后又转变为超疏水流道，最后转变为既具有疏水性又具有亲水性的流道，实现了对双极板流道的浸润性的连续调控。
以及，本发明实施例中设置了多组激光加工设备，可以同时对多个双极板流道的浸润性进行调控，提高了加工效率，为加工具有不同浸润性的双极板流道的小规模量产做好了准备。
继续参见图2，每组加工设备还可以包括反射镜16；针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器2根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光经该组激光加工设备的反射镜16反射至该组激光加工设备的振镜3。
由于有时受限于现实条件，皮秒激光器2不便于直接射至振镜3，为了使皮秒激光器2射出的激光可以射出至振镜3，需要增加反射镜。
由此，通过增加反射镜的方式，使得皮秒激光器2射出的激光可以射出至振镜3，以便后续进行双极板流道的扫描。
继续参见图2，激光加工系统还包括移动平台13，移动平台13与控制器1连接，移动平台13设置于各组激光加工设备的聚焦场镜4的下方，各石墨树脂材料基材5固定于移动平台13的上方，控制器1发送移动信息至移动平台13，移动平台13根据接收到的移动信息进行移动。
也就是说，在每组激光加工设备扫描得到双极板流道后，移动平台13可以带着石墨树脂材料基材5移动，以便于在石墨树脂材料基材5上的其他部分继续加工双极板流道。
由此，通过控制器1控制移动平台13移动的方式，可以在石墨树脂材料基材5上的其他部分继续加工双极板流道，提高了加工效率。
继续参见图2，激光加工系统还包括显示器14，控制器1与显示器14电连接，控制器1发送显示信息至显示器14进行显示，其中，显示信息可以包括石墨树脂材料基材5的状态信息。
由此，通过设置显示器的方式方便查看石墨树脂材料基材5的状态。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统包括控制器、多组激光加工设备和真空气相沉积炉；
每组激光加工设备至少包括皮秒激光器、振镜和聚焦场镜，所述聚焦场镜安装于所述振镜的出口，石墨树脂材料基材设置于所述聚焦场镜的下方；
所述控制器与每组激光加工设备中的皮秒激光器电连接，所述控制器分别发送待加工流道尺寸特征至各组激光加工设备的皮秒激光器；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对石墨树脂材料基材进行扫描得到双极板流道，其中，扫描时产生的石墨树脂材料的微纳米颗粒覆盖于所述双极板流道的表面，所述表面的接触角为0°；
所述真空气相沉积炉对表面覆盖有石墨树脂材料的微纳米颗粒的双极板流道的表面沉积疏水涂层得到沉积后的双极板流道，其中，所述沉积后的双极板流道的表面的接触角大于150°；
所述控制器发送定点扫描信息至每组激光加工设备中的皮秒激光器；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的定点扫描信息射出激光至该组激光加工设备的振镜，该组激光加工设备的振镜控制接收到的激光通过聚焦场镜形成的聚焦光斑对所述沉积后的双极板流道的表面的定点扫描区域进行定点扫描得到扫描后双极板流道，其中，每个定点扫描区域的接触角为0°。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每组加工设备还包括反射镜；
针对各组激光加工设备，该组激光加工设备的皮秒激光器根据接收到的待加工流道形貌尺寸特征射出激光经该组激光加工设备的反射镜反射至该组激光加工设备的振镜。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括移动平台，所述移动平台与所述控制器连接，所述移动平台设置于各组激光加工设备的聚焦场镜的下方，各石墨树脂材料基材固定于所述移动平台的上方；
所述控制器发送移动信息至所述移动平台；
所述移动平台根据接收到的移动信息进行移动。
4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述聚焦光斑的直径的量级为微米量级。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述疏水涂层为硅烷疏水涂层。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个定点扫描区域的面积量级为10微米量级。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括显示器，所述控制器与所述显示器电连接，所述控制器发送显示信息至所述显示器进行显示。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110773857.7A CN114248001A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110773857.7A CN114248001A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114248001A true CN114248001A (zh) | 2022-03-29 |
Family
ID=80791165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110773857.7A Withdrawn CN114248001A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114248001A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114843543A (zh) * | 2022-06-01 | 2022-08-02 | 冠驰新能科技(南京)有限公司 | 一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池 |
| CN114976091A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-30 | 冠驰新能科技(南京)有限公司 | 一种电池装置及电池装置的制作方法 |
| CN117983987A (zh) * | 2024-04-07 | 2024-05-07 | 上海亿氢能源科技有限公司 | 激光微孔制备膜电极多孔扩散层的方法及多孔扩散层 |
-
2021
- 2021-07-08 CN CN202110773857.7A patent/CN114248001A/zh not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114843543A (zh) * | 2022-06-01 | 2022-08-02 | 冠驰新能科技(南京)有限公司 | 一种超疏冷凝水表面及其制备方法、电池极板和燃料电池 |
| CN114976091A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-30 | 冠驰新能科技(南京)有限公司 | 一种电池装置及电池装置的制作方法 |
| CN117983987A (zh) * | 2024-04-07 | 2024-05-07 | 上海亿氢能源科技有限公司 | 激光微孔制备膜电极多孔扩散层的方法及多孔扩散层 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114248001A (zh) | 一种调控双极板流道浸润性的激光加工系统 | |
| EP3102389B1 (en) | An additive manufacturing system with a multi-laser beam gun and method of operation | |
| WO2009098459A1 (en) | Partially transparent solar panel | |
| CN102271858A (zh) | 在聚合物层表面上开槽的方法和设备 | |
| US20090261082A1 (en) | Methods and systems for forming microstructures in glass substrates | |
| CN102615432A (zh) | 使用经倾斜的雷射扫描来加工工作件的方法和设备 | |
| CN212569305U (zh) | 一种激光光束整形装置 | |
| KR102410764B1 (ko) | 프린트 기판의 레이저 가공 방법 및 프린트 기판의 레이저 가공기 | |
| CN110142406B (zh) | 二维光纤面阵高精度激光3d金属打印机及其打印控制方法 | |
| CN112916873B (zh) | 基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统及方法 | |
| CN113579517B (zh) | 一种四振镜群孔加工方法 | |
| CN105215546A (zh) | 一种激光扫描填充系统及其扫描填充方法 | |
| JP2012520768A (ja) | 一体的に並置した複数の放射源を用いたプレートの照射 | |
| CN110733176A (zh) | 光束整形机构、激光光源系统、激光3d打印设备和方法 | |
| Obata et al. | Hybrid micro-stereo-lithography by means of aerosol jet printing technology | |
| CN109909601A (zh) | 一种激光加工系统及方法 | |
| CN209206705U (zh) | 陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑制备设备 | |
| CN115971645A (zh) | 燃料电池双极板流道制备方法、装置及双极板 | |
| CN114247984A (zh) | 一种加工石墨复合基材双极板流道的激光加工系统 | |
| CN114248007A (zh) | 一种用于加工双极板流道的激光加工系统 | |
| CN117983987B (zh) | 激光微孔制备膜电极多孔扩散层的方法及多孔扩散层 | |
| CN114248002A (zh) | 一种加工双极板流道的激光加工系统 | |
| US11471981B2 (en) | Transparent material processing method, transparent material processing device, and transparent material | |
| CN219464763U (zh) | 一种金属增材制造设备及其光学装置 | |
| CN109317816A (zh) | 陶瓷涂层表面微坑制备装置及陶瓷涂层表面微坑的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220329 |