高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料的研究

楊明國(guó)，王姍姍，焦丕玉

（1. 海軍駐武漢712所軍事代表室；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料的研究

楊明國(guó)1，王姍姍2，焦丕玉2

（1. 海軍駐武漢712所軍事代表室；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文研制了可用于層壓母線的高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料。分別選用聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、間位芳香族聚酰胺纖維（NOMEX紙）作為基材，對(duì)比了三種基材的導(dǎo)熱性，然后雙面涂覆自制高導(dǎo)熱膠粘劑，制成導(dǎo)熱絕緣襯墊材料。TGA結(jié)果表明自制高導(dǎo)熱膠粘劑的熱穩(wěn)定性較普通膠粘劑有一定提高。所制得的PI導(dǎo)熱絕緣襯墊材料最高導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.316 W/(m· k)，并表現(xiàn)出了較好的綜合性能。

高導(dǎo)熱 絕緣材料 層壓母線

0 引言

層壓母線廣泛應(yīng)用于電力及混合牽引、蜂窩通訊、變頻電源、大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電動(dòng)設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換模塊等領(lǐng)域，其通過(guò)絕緣襯墊材料熱壓成一體。隨著層壓母線大功率化的不斷發(fā)展，其散熱問(wèn)題日趨凸顯。這對(duì)其中重要組件絕緣襯墊材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求，因此開發(fā)高導(dǎo)熱的絕緣材料成為大功率層壓母線的主要研究方向之一[1-4]。

絕緣襯墊材料主要由兩部分組成，一部分為襯墊基材，其主要表現(xiàn)為絕緣、支撐補(bǔ)強(qiáng)作用；另一部分為膠粘劑，主要作用為粘接母排，使其成為一個(gè)整體。要提高襯墊材料的導(dǎo)熱性主要從基材與膠粘劑兩個(gè)方面出發(fā)分別進(jìn)行導(dǎo)熱改善。本文選用的襯墊基材分別為聚酰亞胺[5]、聚酯與間位芳香族聚酰胺纖維三種，通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)與熱重分析篩選出導(dǎo)熱性最優(yōu)的基材。膠粘劑為自制膠粘劑，根據(jù)聚合物導(dǎo)熱機(jī)理所有物質(zhì)的熱傳導(dǎo)都是物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子相互碰撞和傳遞的結(jié)果，一般高分子材料本身的導(dǎo)熱性能很差，是熱的不良導(dǎo)體，所以只有通過(guò)填充高導(dǎo)熱性的填料增加材料的熱導(dǎo)率[6-7]。因此本文選擇一種高導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料來(lái)提高膠粘劑的導(dǎo)熱性能。通過(guò)基材與膠粘劑的選擇，采用雙面涂布的方式進(jìn)行材料的復(fù)合，制備了高導(dǎo)熱的絕緣襯墊材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

聚酰亞胺基材（PI）：A廠家；聚酯（PET）：B廠家；間位芳香族聚酰胺纖維（NOMEX紙）：C廠家；膠粘劑：自制；導(dǎo)熱填料（SiO2）：0.1μm～1μm。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 高導(dǎo)熱膠粘劑的制備

首先將改性環(huán)氧樹脂、增韌劑、混合稀釋劑按一定比例分批次混合攪拌均勻。待溫度降至常溫后，加入一定比例的潛伏性固化劑至其溶解待用。然后將一定量的表面改性SiO2超聲分散于配制待用的膠粘劑中，制備成高導(dǎo)熱膠粘劑待用。1.3.2高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料的制備

將自制的高導(dǎo)熱膠粘劑通過(guò)涂布機(jī)均勻地涂布在各種基材（包括PI、PET、NOMEX紙）上，涂布前增加攪拌工序，防止無(wú)機(jī)填料沉降?？刂粕夏z厚度在0.020 μm±0.005 μm，后在60℃～100℃的烘箱中表干30 min，懸掛待用。

2 性能測(cè)試

2.1 絕緣襯墊材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

采用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量絕緣襯墊材料導(dǎo)熱系數(shù)。每種材料分別得到三個(gè)數(shù)據(jù)，三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值即為所測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 膠粘劑熱重分析試驗(yàn)

測(cè)試流程為：室溫樣品稱重放入坩堝測(cè)試→以10℃/min的速率升溫至600℃→記錄質(zhì)量損失→降至室溫→關(guān)閉電源完成測(cè)試。.

2.3 絕緣襯墊材料擊穿電壓試驗(yàn)

分別取三點(diǎn)測(cè)量擊穿電壓數(shù)據(jù)，測(cè)量被測(cè)材料的厚度，三點(diǎn)測(cè)量值的平均數(shù)據(jù)為材料的擊穿電壓，記錄以供計(jì)算。

2.4 膠粘劑掃描電鏡表征

將被測(cè)試樣按要求裁切成合適大小，從不同角度進(jìn)行形貌拍攝。

2.5 粘接強(qiáng)度

每種試樣分別取三個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，三個(gè)測(cè)試值取平均值作為粘接強(qiáng)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 絕緣襯墊材料基材的選擇

3.1.1 基材種類對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

絕緣材料基材的主要作用是絕緣與支撐補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)這一特性，本文選擇了絕緣性能較好的三種材料聚酰亞胺、聚酯與間位芳香族聚酰胺纖維，通過(guò)導(dǎo)熱測(cè)試儀測(cè)定了三種基材的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖1所示：

圖1 基材導(dǎo)熱系數(shù)柱狀圖

從圖1中我們可以看出，絕緣襯墊材料基材的導(dǎo)熱系數(shù)為PI＞PET＞NOMEX，所選擇的PI基材的導(dǎo)熱系數(shù)最高為0.262 W/(m· k)，說(shuō)明該材料導(dǎo)熱性能最好。絕緣聚合物材料熱導(dǎo)率取決于含極性基團(tuán)的多少和極性基團(tuán)偶極化的程度，這種極化所需的時(shí)間為10-9S左右。一般極性高聚物都有這種變化，PI所含極性基團(tuán)多，且較易極化，所以對(duì)比其它基材PI材料的導(dǎo)熱性能最優(yōu)。

按照以上數(shù)據(jù)的結(jié)論，在層壓母線絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可以優(yōu)先考慮選擇PI做基材的絕緣襯墊材料。

3.2 導(dǎo)熱填料對(duì)膠粘劑性能的影響

3.2.1 填料含量對(duì)膠粘劑導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在高導(dǎo)熱膠粘劑中，改善導(dǎo)熱性的主要因素是導(dǎo)熱填料，為了表征填料含量對(duì)高導(dǎo)熱材料的影響，本文對(duì)不同填料含量的導(dǎo)熱膠粘劑進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，隨著填料的增加，絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，因?yàn)殡S著導(dǎo)熱粒子的增加，粒子逐漸在基體樹脂中形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使得熱流沿著熱阻較小的粒子通過(guò)，因此導(dǎo)熱系數(shù)不斷提高。

圖2 導(dǎo)熱填料含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

3.2.2 導(dǎo)熱填料對(duì)膠粘劑熱穩(wěn)定性的影響

膠粘劑是絕緣襯墊材料的重要組成部分，在滿足剪切強(qiáng)度要求的前提下，對(duì)膠粘劑的導(dǎo)熱性進(jìn)行改善意義重大。本研究在膠粘劑中添加了一種高導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料改性微米級(jí)SiO2，對(duì)添加前后膠粘劑的熱失重進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示：

圖3 膠粘劑熱重分析圖

從圖3(a) (b)可知，在365℃，未添加填料的膠粘劑質(zhì)量損失17.18%；添加高導(dǎo)熱填料的膠粘劑在350℃時(shí)，質(zhì)量損失8.94%。以上數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了添加填料的高導(dǎo)熱膠粘劑質(zhì)量損失明顯小于未改性膠粘劑，熱穩(wěn)定性顯著提高。添加填料的高導(dǎo)熱膠粘劑質(zhì)量損失少的原因主要有如下兩點(diǎn)：一方面因?yàn)樘砑拥奶盍嫌行Ц纳屏四z粘劑的導(dǎo)熱性能，使膠粘劑內(nèi)部的熱量迅速向外部擴(kuò)散，從而減小膠粘劑內(nèi)部因熱量囤積而造成的質(zhì)量損失；另一方面添加填料后，高分子材料所占比例減小，無(wú)機(jī)填料比例增加，導(dǎo)致在相同溫度下添加填料的膠粘劑較未添加填料的膠粘劑質(zhì)量損失少。比較圖3(a) (b)，改性后的膠粘劑的分解溫度高于未改性的膠粘劑，也說(shuō)明材料的穩(wěn)定性得到一定的提高。

3.2.3 改性膠粘劑掃描電鏡（SEM）分析

為了觀察填料在膠粘劑中的分散形態(tài)，本文拍攝了膠粘劑的截面圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 膠粘劑掃描電鏡圖

從圖4可以看出，所添加的高導(dǎo)熱填料沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，填料經(jīng)過(guò)表面處理，其在基體樹脂中的分散較為均勻。

3.3 高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料的結(jié)果與討論

通過(guò)分別對(duì)襯墊基材與膠粘劑進(jìn)行分析，初步制定了高導(dǎo)熱絕緣襯墊材料制作方案，雙面涂覆膠粘劑于襯墊基材上，并對(duì)所制得的材料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定、熱失重分析、以及綜合性能指標(biāo)考核。

3.3.1 襯墊材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

分別使用普通膠粘劑和導(dǎo)熱膠粘劑雙面涂覆于三種基材上，測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果如圖5所示。

圖5 襯墊材料導(dǎo)熱系數(shù)柱狀圖

如圖5所示，使用高導(dǎo)熱膠粘劑所制得的襯墊材料的導(dǎo)熱系數(shù)較普通膠粘劑制得的材料的導(dǎo)熱系數(shù)有了一定的提高，且使用PI基材導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱系數(shù)提高到了0.316 W/(m· k)，滿足了我們提高導(dǎo)熱系數(shù)的期望。

3.3.2 絕緣襯墊材料擊穿電壓試驗(yàn)及粘接強(qiáng)度測(cè)試

我們對(duì)三種基材制備的雙面涂膠絕緣襯墊材料固化物進(jìn)行了擊穿強(qiáng)度測(cè)試，并對(duì)彎折后的電氣強(qiáng)度也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1的結(jié)果可以看出，雙面涂膠絕緣襯墊材料的擊穿強(qiáng)度PET＞PI基材＞NOMEX紙基材，擊穿強(qiáng)度保持率PI基材＞PET基材＞NOMEX紙基材。無(wú)論從折彎前后擊穿強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值還是擊穿強(qiáng)度的保持率均較大，均可以滿足層壓母線耐電性能和疊壓完成后的局部彎折要求。

表1不同基材絕緣襯墊材料固化物彎折前后電氣強(qiáng)度測(cè)試值（厚度為0.17mm±0.01 mm）

本文對(duì)復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示，復(fù)合材料在滿足較佳的擊穿強(qiáng)度的同時(shí)，依然保持較高的粘接強(qiáng)度，PI復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度為1.32 N/mm2。

表2 絕緣襯墊材料粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于沒(méi)有涂覆高導(dǎo)熱膠粘劑的襯墊材料而言，涂覆高導(dǎo)熱膠粘劑的襯墊材料其導(dǎo)熱性能有了顯著的提高，PI基材襯墊材料的導(dǎo)熱率由0.263 W/(m· k)提高到了 0.316 W/(m· k)；根據(jù)熱重分析從側(cè)面說(shuō)明添加高導(dǎo)熱粒子的膠粘劑的穩(wěn)定性高于普通膠粘劑；電性能試驗(yàn)表明PI基材的襯墊材料在彎折前后擊穿強(qiáng)度保持率最高為97.7%可滿足產(chǎn)品彎折方面的需求且依然保持較優(yōu)的拉伸剪切強(qiáng)度。

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Research on High Thermal Conductivity Insulation Material

Yang Mingguo1, Wang Shanshan2, Jiao Piyu2

(1. Naval Representatives Office in 712th Institute;2. Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper presents a kind of high thermal conductivity insulation material used in laminated bus-bar device. The PET, PI and NOMEX are chosen as the matrix and their thermal conductivity is researched and compared. The double sides of matrix is coated by high thermal conductivity adhesive to obtain the high thermal conductivity insulation material. The thermal stability of high thermal conductivity adhesive is better than that of the normal adhesive. The thermal conductivity coefficient of the PI insulation material can reach up to 0.316 W/ (m· k). Moreover, the electric insulation property of PI insulation material is better than others.

high thermal conductivity; insulation material; laminated bus-bar device

TM21

A

1003-4862（2015）08-0066-04

2015-06-09

楊明國(guó)(1966-)，男，碩士。研究方向：機(jī)電一體化。