CN116876256B - 一种具有连续纤维增强结构的碳纸 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有连续纤维增强结构的碳纸，包括纤维原纸、以及编织于所述纤维原纸的增强体结构；所述纤维原纸由长度为10‑30mm的短切碳纤维烧结而成；所述增强体结构包括若干连续纤维，所述连续纤维包括X方向纤维和/或Y方向纤维；以所述纤维原纸的宽度方向为0度方向，所述连续纤维与0度方向逆时针的夹角为α，则X方向纤维或Y方向纤维的夹角α为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°中的任一数值。通过引入由连续纤维构成的增强体结构，可防止碳纸在使用过程中出现分层脱离，保证了碳纸结构的完整性。
Description
技术领域
本发明涉及气体扩散层领域，特别涉及一种具有连续纤维增强结构的碳纸。
背景技术
气体扩散层是燃料电池的核心组成部分，在燃料电池中起到传输水气、导热导电、机械支撑的作用。气体扩散层由基底层和微孔层组成，基底层是气体扩散层的骨架，气体扩散层的功能和结构需要建立在骨架的支撑上。气体扩散层基底层常用的骨架结构有碳纤维纸（碳纸）、无纺布、编织布，其中，碳纸由于是由5-30mm的短切纤维构成，其机械强度相对其他两种骨架较低。
并且在实际使用过程中，由于碳纤维在造纸时无法有效弯曲和分丝帚化，当碳纸的厚度较大时，层与层之间由于仅仅依靠粘结剂和少量的纤维机械互锁实现相互作用，因此在实际使用过程中容易出现分层的现象。在工业生产过程中，碳纸的结构不稳定，会造成气体扩散层质量的不稳定，其次会造成燃料电池性能的不稳定，使用过程中容易出现局部过电位、局部区域气体供应不足等问题，极大的影响燃料电池的寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有连续纤维增强结构的碳纸，通过引入由连续纤维构成的增强体结构，从而防止碳纸在使用过程中出现分层脱离的情况。
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有连续纤维增强结构的碳纸，包括纤维原纸、以及编织于所述纤维原纸的增强体结构；所述纤维原纸由长度为10-30mm的短切碳纤维烧结而成；所述增强体结构包括若干连续纤维，所述连续纤维包括X方向纤维和/或Y方向纤维；以所述纤维原纸的宽度方向为0度方向，所述连续纤维与0度方向逆时针的夹角为α，则X方向纤维或Y方向纤维的夹角α为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°中的任一数值。
进一步地，所述连续纤维的长度大于短切碳纤维的最大长度。
进一步地，所述X方向纤维与Y方向纤维之间的夹角为45°或90°。
进一步地，所述X方向纤维沿其垂直方向设置有若干根，和/或所述Y方向纤维沿其垂直方向设置有若干根。
进一步地，相邻X方向纤维或相邻Y方向纤维之间的距离为5-50mm。
进一步地，相邻所述连续纤维在所述纤维原纸上的穿插方向相反。
进一步地，所述连续纤维穿过所述纤维原纸的部分与所述纤维原纸厚度方向的夹角为0-60°。
进一步地，所述连续纤维为细度10tex-300tex的无捻纤维束。
进一步地，所述连续纤维的材料为碳纤维、PAN纤维、粘胶纤维中的任意一种。
进一步地，所述连续纤维在使用前需要用树脂浸渍处理，所述树脂为粉末或胶体。
进一步地，所述树脂与纤维的质量之比为1:(2-10)；所述树脂为丙烯酸树脂、聚乙烯醇树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的至少一种。
通过上述技术方案，本发明中具有连续纤维增强结构的碳纸，其增强结构具有以下形式：
1、只有X方向纤维或Y方向纤维，即X方向纤维或Y方向纤维在纤维原纸的上下面穿插。
对于在纤维原纸上下穿插的连续纤维，连续纤维从纤维原纸在上表面穿插进入下表面的点称为第一穿插点，由第一穿插点进入下表面的点称为第二穿插点，在下表面穿插进入上表面的点称为第三穿插点，由第三穿插点从下表面进入上表面的点称为第四穿插点。由第二穿插点到第三穿插点的为上表面浮线，由第四穿插点到第一穿插点的为下表面浮线，长度为1-50mm，且第一穿插点与第二穿插点的纤维，第三穿插点与第四穿插点的纤维与垂直方向的夹角在0-60°。
2、同时包含X方向纤维和Y方向纤维，由于X方向纤维和Y方向纤维同时在纤维原纸的上下面穿插，因此，在纤维原纸上存在交织点，该交织点为空间交织点，即在交织点处，X方向纤维或Y方向纤维分别处在纤维原纸的两侧，不能在同一侧进行交织。若X方向纤维或Y方向纤维存在多条连续纤维，则相邻的两条连续纤维在碳纤维纸的增强结构走向相反，即同一段浮长线分别处于碳纤维纸的上下不同面。
发明的有益效果
1、通过引入由连续纤维构成的增强体结构，可增强碳纸沿幅宽方向和/或长度方向的拉伸强度和挺度，从而提升其机械性能。
2、通过引入由连续纤维构成的增强体结构，可防止碳纸在使用过程中出现分层脱离，保证了碳纸结构的完整性。
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地介绍，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示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1中具有X方向纤维和Y方向纤维的碳纸的正面示意图。
图2为实施例1中具有X方向纤维和Y方向纤维的碳纸的反面示意图。
图3为实施例1中碳纸的仰视图。
图4为图3中A-A截面示意图。
图5为图3中B-B截面示意图。
图6为实施例1中碳纸的位移-载荷曲线图。
图7为实施例2中具有X方向纤维碳纸的示意图。
图8为实施例3中具有X方向纤维碳纸的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
本实施例所采用的纤维原纸的厚度为0.2mm，纤维原纸的尺寸为40*200mm，所用连续纤维为细度100tex的碳纤维束，碳纤维使用环氧树脂粉进行处理，处理后的碳纤维与树脂的质量比例为5:1。
对纤维原纸的长度方向和宽度方向进行增强，即存在两个方向的连续纤维，其中，长度方向连续纤维为X方向，宽度方向连续纤维为Y方向，即X方向纤维与幅宽方向（0°方向）的夹角为90°，Y方向纤维与幅宽方向的夹角为0°。
如图3所示，X方向纤维有3条，Y方向纤维有3条，X方向纤维按顺序分别为X1、X2、X3，Y方向纤维分别为Y1、Y2、Y3。X方向纤维的所有浮长线长度为8mm，且X1与X3的第一段浮长线为上表面浮长线，与其对应的X2的第一段浮长线为下表面浮长线，X1与X2、X2与X3之间的间距为10mm。Y方向纤维的所有浮长线的长度为5mm，且Y1与Y3的第一段浮长线为下表面浮长线，Y2的第一段浮长线为下表面浮长线，保证了X1、X2、X3与Y1、Y2、Y3不在碳纸的同一侧交叉，Y1与Y2、Y2与Y3之间的间距为20mm。X方向纤维和Y方向纤维的第一穿插点与第二穿插点的纤维，第三穿插点与第四穿插点的纤维与纤维原纸的厚度方向的夹角均为45°。实施例1的碳纸具体结构如图1至图5所示。
对实施例1的碳纸的拉伸强度和挺度进行测试。
其中，图6为碳纸的位移-载荷曲线图（测试方法参照GB/T 20042.7-2014），由图6可知，使用连续纤维对碳纸进行长度方向的增强后，其拉伸强度明显提升。
表1为碳纸的弯曲挺度测试表（测试方法参照GB∕T 22364-2018），由表1可知，使用连续纤维后，其TD(宽度方向)和MD（长度方向）方向的拉伸挺度显著增加，从而碳纸弯曲的强度提升。
实施例2
本实施例所采用的纤维原纸的厚度为0.5mm，纤维原纸的尺寸为100*300mm，所用连续纤维为细度100tex的碳纤维束，碳纤维使用环氧树脂粉进行处理，处理后的碳纤维与树脂的质量比例为5:1。
使用一个方向的连续纤维，连续纤维与幅宽方向（0°方向）的夹角为45°，相邻连续纤维之间的间距为10mm，连续纤维按顺序分别为X1、X2、X3、X4，所有浮长线的长度均为5mm，且X1与X3的第一段浮长线为上浮长线，X2与X4的第一段浮长线为下浮长线。每一连续纤维的第一穿插点与第二穿插点的纤维，第三穿插点与第四穿插点的纤维与纤维原纸的厚度方向的夹角均为45°。实施例2的碳纸具体结构如图7所示。
实施例3
本实施例所采用的纤维原纸的厚度为0.7mm，纤维原纸的尺寸为100*300mm，所用连续纤维为细度100tex的碳纤维束，碳纤维使用环氧树脂粉进行处理，处理后的碳纤维与树脂的质量比例为5:1。
使用一个方向的连续纤维，连续纤维与幅宽方向（0°方向）的夹角为90°，相邻连续纤维之间的间距为15mm，连续纤维按顺序分别为X1、X2、X3、X4、X5、X6，所有浮长线的长度均为10mm，且X1、X3、X5的第一段浮长线为上浮长线，X2、X4、X6的第一段浮长线为下浮长线。每一连续纤维的第一穿插点与第二穿插点的纤维，第三穿插点与第四穿插点的纤维与纤维原纸的厚度方向的夹角均为45°。实施例3的碳纸具体结构如图8所示。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种具有连续纤维增强结构的气体扩散层用碳纸，其特征在于：包括纤维原纸、以及编织于所述纤维原纸的增强体结构；所述纤维原纸由长度为10-30mm的短切碳纤维烧结而成；所述增强体结构包括若干连续纤维，所述连续纤维为细度10tex-300tex的无捻纤维束，所述连续纤维的材料为碳纤维、PAN纤维、粘胶纤维中的任意一种；
所述连续纤维包括X方向纤维和/或Y方向纤维；所述X方向纤维沿其垂直方向设置有若干根，和/或所述Y方向纤维沿其垂直方向设置有若干根；以所述纤维原纸的宽度方向为0度方向，所述连续纤维与0度方向逆时针的夹角为α，则X方向纤维或Y方向纤维的夹角α为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°中的任一数值，X方向纤维或Y方向纤维在纤维原纸的上下面穿插，穿过所述纤维原纸的部分与所述纤维原纸厚度方向的夹角为0-60°，相邻所述连续纤维在所述纤维原纸上的穿插方向相反；
所述连续纤维在使用前需要用树脂浸渍处理，所述树脂为粉末或胶体；所述树脂与纤维的质量之比为1:(2-10)；所述树脂为丙烯酸树脂、聚乙烯醇树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种具有连续纤维增强结构的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述X方向纤维与Y方向纤维之间的夹角为45°或90°。
3.根据权利要求1所述的一种具有连续纤维增强结构的气体扩散层用碳纸，其特征在于，相邻X方向纤维或相邻Y方向纤维之间的距离为5-50mm。
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