Lightweight multifunctional composites

Abstract

Transportindustrin producerar omkring 26% av alla växthusgasutsläpp i EU och Storbritannien. Ett sätt att kraftigt reducera dessa utsläpp är genom att minska fordonsvikten. Fordonsvikten kan minskas genom att använda multifunktionella material och strukturer.

En undersökning är genomförd som studerar lätta multifunktionella kompositmaterial baserade på kolfibrer aktiverade med litiumjoner. Kolfiberkompositer har bra mekaniska egenskaper som är välkända och passar till en mångfald av olika tillämpningar inom lättkonstruktion. Men kolfibrer har också visat sig ha flera andra egenskaper som gör dem lämpliga till energilagring, formändring, energiomvandling och töjningssensorer.

Den här studien bygger på forskning om strukturella batterier baserade på kolfibrer inlagrade med litiumjoner. En undersökning med fokus på inlagring av natrium- och kaliuminjoner i polyakrylnitril (PAN)-baserade kolfibrer är genomförd. Dessa metaller är mer förekommande i jordens yta än litium och kan därför anses vara mer hållbara. Dessutom har de större atomradie än litium vilket kan vara gynnsamt för vissa funktionaliteter.

Galvanostatiska profiler och elektrokemiska kapaciteter ges för natrium och kaliuminlagring i kolfibrer samt effekten av jonernas inlagring på kolfibrers mekaniska egenskaper. Både natrium- och kaliumjoner inlagras med lägre kapacitet än litium i PAN-baserade kolfibrer. Styvheten på kolfibrerna förblir ungefär samma under inlagringsprocessen för alla joner. Däremot minskar hållfastheten med upp till 28% i kolfibrer fulladdade med natrium. Denna minskning är återhämtningsbar till en viss nivå: en urladdad kolfiber har 96% av egentliga styrkan.

Längsgående expansionen i kolfibrer vid inlagring av natrium- och kaliumjoner mäts. Expansionen blir 0.09% för natriuminjicering och 0.24% för kaliuminlagring. Det är mindre än den 0.7% expansion som mäts för litiuminlagring i samma kolfiber.

En analytisk modell baserad på klassisk laminatteori är utvecklad som kan simulera inlagringsexpansioner i strukturella batterikompositer. Expansionerna behandlas på samma sätt som termiska expansioner. Resultaten visar att det är möjligt att minska globala laminatformändringar och interlaminära spänningar genom att skräddarsy uppläggningssekvensen på anod- och katodlagren. På samma sätt är det också möjligt att skräddarsy formen på de globala formändringarna. 

Ett koncept för ett kompositlaminat som kan ändra form är framtaget. Det består av två lager litiumdopade kolfibrer med en keramisk separator emellan. Alla tre lager är inbäddade i en strukturell batterielektrolyt vilket möjliggör för joner att transporteras från ett kolfiberlager till det andra. Med hjälp av elektrisk ström är det möjligt att överföra litiumjoner från en sida till den andra. Det gör att ena sidan expanderar längsgående, medan andra sidan krymper, vilket betyder att laminatet böjer sig. Genom att ändra mängd och riktning på strömmen kan man kontrollera hur laminatet böjer sig. När strömmen slås av behåller laminatet sin böjda form, dvs det krävs ingen extra energi för att hålla deformationen. Frekvensen på formändringen är däremot relativt låg på grund av den tröga jontransportprocessen.

Piezoelektrokemiska effekten är en spänningstöjningskoppling som uppstår när kolfibrer innehåller joner. Den har mätts för kolfibrer med litiumjoner förut och föreslås kunna användas till strukturella töjningssensorer samt energiomvandling. Kopplingen mäts här för natrium- och kaliumjoner. En maximal kopplingsfaktor på 0.26 V/töjningsmått uppstår med kaliumjoner, vilket är betydligt lägre än för litiumjoner i samma kolfibrer.

Kopplingsfaktorn från den piezo-elektrokemiska effekten utreds också för en laminatstruktur. Samma laminatdesign som används för formändringslaminatet används även här. Karakterisering av den kompressiva kopplingsfaktorn mäts för första gången och visas vara av samma storlek som kopplingsfaktorn vid dragbelastning, men med motsatt riktning. Detta möjliggör en större spänningsskillnad mellan dem två kolfiberlagren när laminatet böjs. Det kan vara gynnsamt för framtida töjningssensorer och energiomvandling.

Energiomvandling med litiuminlagrade kolfibrer demonstreras. Samma laminatdesign som används för formändringslaminatet används även här. Skräddarsydda klämmor möjliggör att applicera böjning med konstant krökning på laminatet. En specifik elektrisk effekt på 18 nW/g mäts, vilket visar potentialen att använda denna teknologi för energiomvandling.

Sammanfattningsvis är det visat att det är möjligt att använda joninlagrade kolfibrer för att skapa flera funktionaliteter i kompositstrukturer. Genom att bygga fordon med sådana komponenter kan man minska vikten på en systemnivå. Trots att det finns mycket forskning kvar att göra inom detta område, finns det onekligen stor potential för multifunktionella kompositer i framtidens strukturer. Den här avhandlingen ger underlag för att fortsätta utveckla denna teknologi.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-303558