高導熱絕緣襯墊材料的研究

楊明國，王姍姍，焦丕玉

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

高導熱絕緣襯墊材料的研究

楊明國1，王姍姍2，焦丕玉2

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

本文研制了可用于層壓母線的高導熱絕緣襯墊材料。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，對比了三種基材的導熱性，然后雙面涂覆自制高導熱膠粘劑，制成導熱絕緣襯墊材料。TGA結果表明自制高導熱膠粘劑的熱穩(wěn)定性較普通膠粘劑有一定提高。所制得的PI導熱絕緣襯墊材料最高導熱系數(shù)可達0.316 W/(m· k)，并表現(xiàn)出了較好的綜合性能。

高導熱 絕緣材料 層壓母線

0 引言

層壓母線廣泛應用于電力及混合牽引、蜂窩通訊、變頻電源、大型網(wǎng)絡設備、電動設備的功率轉換模塊等領域，其通過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，其散熱問題日趨凸顯。這對其中重要組件絕緣襯墊材料的導熱性能提出了更高的要求，因此開發(fā)高導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、支撐補強作用；另一部分為膠粘劑，主要作用為粘接母排，使其成為一個整體。要提高襯墊材料的導熱性主要從基材與膠粘劑兩個方面出發(fā)分別進行導熱改善。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，通過導熱系數(shù)與熱重分析篩選出導熱性最優(yōu)的基材。膠粘劑為自制膠粘劑，根據(jù)聚合物導熱機理所有物質的熱傳導都是物質內部微觀粒子相互碰撞和傳遞的結果，一般高分子材料本身的導熱性能很差，是熱的不良導體，所以只有通過填充高導熱性的填料增加材料的熱導率[6-7]。因此本文選擇一種高導熱無機填料來提高膠粘劑的導熱性能。通過基材與膠粘劑的選擇，采用雙面涂布的方式進行材料的復合，制備了高導熱的絕緣襯墊材料。

1 實驗

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；導熱填料（SiO2）：0.1μm～1μm。

1.2 試驗儀器及設備

1.3 實驗過程

1.3.1 高導熱膠粘劑的制備

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，制備成高導熱膠粘劑待用。1.3.2高導熱絕緣襯墊材料的制備

將自制的高導熱膠粘劑通過涂布機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，防止無機填料沉降。控制上膠厚度在0.020 μm±0.005 μm，后在60℃～100℃的烘箱中表干30 min，懸掛待用。

2 性能測試

2.1 絕緣襯墊材料導熱系數(shù)測定

采用導熱系數(shù)測定儀測量絕緣襯墊材料導熱系數(shù)。每種材料分別得到三個數(shù)據(jù)，三個數(shù)據(jù)的平均值即為所測材料的導熱系數(shù)。

2.2 膠粘劑熱重分析試驗

測試流程為：室溫樣品稱重放入坩堝測試→以10℃/min的速率升溫至600℃→記錄質量損失→降至室溫→關閉電源完成測試。.

2.3 絕緣襯墊材料擊穿電壓試驗

分別取三點測量擊穿電壓數(shù)據(jù)，測量被測材料的厚度，三點測量值的平均數(shù)據(jù)為材料的擊穿電壓，記錄以供計算。

2.4 膠粘劑掃描電鏡表征

將被測試樣按要求裁切成合適大小，從不同角度進行形貌拍攝。

2.5 粘接強度

每種試樣分別取三個樣品進行測試，三個測試值取平均值作為粘接強度。

3 結果與討論

3.1 絕緣襯墊材料基材的選擇

3.1.1 基材種類對導熱系數(shù)的影響

絕緣材料基材的主要作用是絕緣與支撐補強，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，通過導熱測試儀測定了三種基材的導熱系數(shù)，結果如圖1所示：

圖1 基材導熱系數(shù)柱狀圖

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

按照以上數(shù)據(jù)的結論，在層壓母線絕緣結構的設計中，可以優(yōu)先考慮選擇PI做基材的絕緣襯墊材料。

3.2 導熱填料對膠粘劑性能的影響

3.2.1 填料含量對膠粘劑導熱系數(shù)的影響

在高導熱膠粘劑中，改善導熱性的主要因素是導熱填料，為了表征填料含量對高導熱材料的影響，本文對不同填料含量的導熱膠粘劑進行了導熱系數(shù)測定，結果如圖2所示。

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

圖2 導熱填料含量對導熱系數(shù)的影響

3.2.2 導熱填料對膠粘劑熱穩(wěn)定性的影響

膠粘劑是絕緣襯墊材料的重要組成部分，在滿足剪切強度要求的前提下，對膠粘劑的導熱性進行改善意義重大。本研究在膠粘劑中添加了一種高導熱無機填料改性微米級SiO2，對添加前后膠粘劑的熱失重進行了分析，結果如圖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量損失17.18%；添加高導熱填料的膠粘劑在350℃時，質量損失8.94%。以上數(shù)據(jù)充分說明了添加填料的高導熱膠粘劑質量損失明顯小于未改性膠粘劑，熱穩(wěn)定性顯著提高。添加填料的高導熱膠粘劑質量損失少的原因主要有如下兩點：一方面因為添加的填料有效改善了膠粘劑的導熱性能，使膠粘劑內部的熱量迅速向外部擴散，從而減小膠粘劑內部因熱量囤積而造成的質量損失；另一方面添加填料后，高分子材料所占比例減小，無機填料比例增加，導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，所添加的高導熱填料沒有出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，填料經(jīng)過表面處理，其在基體樹脂中的分散較為均勻。

3.3 高導熱絕緣襯墊材料的結果與討論

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

3.3.1 襯墊材料導熱系數(shù)的測定

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

圖5 襯墊材料導熱系數(shù)柱狀圖

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

3.3.2 絕緣襯墊材料擊穿電壓試驗及粘接強度測試

我們對三種基材制備的雙面涂膠絕緣襯墊材料固化物進行了擊穿強度測試，并對彎折后的電氣強度也進行了測試，測試結果見表1。

從表1的結果可以看出，雙面涂膠絕緣襯墊材料的擊穿強度PET＞PI基材＞NOMEX紙基材，擊穿強度保持率PI基材＞PET基材＞NOMEX紙基材。無論從折彎前后擊穿強度的實測值還是擊穿強度的保持率均較大，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度測試值（厚度為0.17mm±0.01 mm）

本文對復合材料的粘接強度進行了測試，結果如表2所示，復合材料在滿足較佳的擊穿強度的同時，依然保持較高的粘接強度，PI復合材料的粘接強度為1.32 N/mm2。

表2 絕緣襯墊材料粘結強度測試值

4 結論

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

[1] 淘高周. 高壓疊層母線在光伏并網(wǎng)逆變電源中的應用[J]. 電源技術應用, 2007, (7)∶ 50-51.

[2] 呂士斌, 章國寶.疊層功率母線在大功率變頻電源的應用[J]. 電子設計工程, 2011, (1)∶ 137-140.

[3] 盛全華, 周蓉.疊層功率母線[J]. 船電技術, 2006, (2)∶ 35-37.

[4] 董阜敏, 黃祖洪, 周鍵. 國內外高導熱主絕緣材料的現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].電氣技術, 2009, (1)∶ 5-8.

[5] 蔡岸, 楊莉萍, 雒彩云, 等. PI／Si02復合薄膜導熱性能理論預測和實驗驗證[J]. 航空材料學報, 2010, (3)∶ 61-65.

[6] 周柳. 環(huán)氧樹脂基導熱絕緣復合材料的制備與性能研究[D]. 武漢理工大學, 2008.

[7] 王文進, 李鴻巖, 姜其斌. 高導熱絕緣高分子復合材料的研究進展[J]. 絕緣材料, 2008, (5)∶ 30-33.

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(1966-)，男，碩士。研究方向：機電一體化。