高性能散熱涂料制備與應用研究

張驍萌，張東陽，趙矗，姜旭，邵茜

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

0 前言

隨著開關電器高電壓、大電流、小型化的發展趨勢，高壓設備在運行時產生的過度發熱將直接影響到電器設備工作的安全性和可靠性，這對熱量的快速散發，提高降溫散熱效率等技術提出了更高的要求[1-2]。傳統的散熱方法主要有設計冷卻液循環系統、設計散熱片結構和發熱連接部位涂敷導電膏。然而設計冷卻系統不利于設備小型化，同時成本提高，安全穩定性較差；單純的散熱片散熱能力有限；導電膏的使用只能降低部分接觸電阻發熱，對正常導體的發熱沒有作用。散熱涂料散熱技術是在不改變原有結構設計基礎上，利用涂層的物理熱輻射性能將熱量帶走，是一種易行有效、安全可靠的散熱技術[3]。

散熱涂料是一種通過提高發熱體表面的熱輻射系數，以此來增強發熱體表面熱交換能力的散熱技術[4-6]。因為太空環境下熱輻射是唯一能夠散熱的途徑，該技術早期在航天領域應用廣泛。近年來，隨著電子器件向著小型化、高集成度、大功率方向發展，原有的基于熱傳導、強制對流冷卻的散熱模式，越來越制約了各種結構新穎、潮流化發展的器件的設計。因此，紅外輻射模式已成為眾多電子元器件散熱的重要備選手段，廣泛應用于手機、平板電腦、大面積顯示屏等電子產品，但是針對于電器設備的散熱涂料的制備及應用研究文獻中鮮有提及[7-9]。

本文制備了一種針對于電器設備的紅外輻射增強散熱涂料，設計出一種對比涂料散熱性能的檢測裝置，通過該裝置檢測了散熱涂料的散熱性能。將此涂料涂覆于體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）管母上，測試涂料在電器設備上的散熱性能。

1 散熱涂料制備

1.1 實驗原料

碳納米管:純度＞90%，北京百靈威化學技術有限公司；氮化硼（BN）：純度：95.5%，粒徑：1μm，天津市海納川科技發展有限公司；二氧化鈦（TiO2）：純度：99.0%，粒徑：60 nm，北京百靈威化學技術有限公司；環氧樹脂：國產環氧樹脂和固化劑；流平劑為透明膠體，德國BYK410；消泡劑為透明液體，德國BYK052；稀釋劑為透明液體，由二甲苯和乙酸丁脂混合組成。

1.2 樣品制備

為達到紅外輻射增強散熱的功能，要求涂層自身具有較高的紅外輻射率、熱導率以及與基底材料具有較低的界面熱阻，以便于熱量通過基底傳遞給涂層，從而迅速輻射出去。可以采用在基體黏結樹脂中填充高輻射率、高熱導率無機材料的方式，以獲得同時具有高輻射率和高熱導率的涂層。

本文所制備的散熱涂料主要由工業級碳納米管、氮化硼、二氧化鈦、環氧樹脂、固化劑、流平劑、消泡劑和稀釋劑組成。散熱涂料的制備工藝主要包含分散，研磨和過濾三個部分，具體步驟如下：

1）分散：通過超聲分散機在30-50 kHz的頻率下將填料和稀釋劑進行混合分散大約30分鐘。隨后，對漿料進行高速攪拌分散，轉速控制在為2000-4000 RPM之間，在分散的過程中緩慢加入環氧樹脂進行混合，直至攪拌均勻。

2）研磨：加入流平劑后對涂料進行研磨，研磨罐內部氧化鋯磨球的規格為3 mm，5 mm，10 mm，15 mm，質量比為3:1:1:1，大約2個小時完成散熱涂料漿料的研磨工藝。

3）過濾：用過濾網對研磨完畢的漿料進行過濾，去除體系中大粒徑的顆粒。

通過以上分散、研磨和過濾工藝得到了分散性良好的漿料，在其中加入消泡劑攪拌5分鐘，可制備出具有良好表面性能的散熱涂料漿料組分（A組分），將A組分進行封裝待用。使用時，將固化劑（B組分）加入到A組分中，攪拌混合均勻，2h內進行涂敷作業。

2 散熱性能研究

2.1 恒功率鋁罐散熱體系

2.1.1 散熱能力測試裝置

為解決散熱涂料散熱能力問題，設計了恒功率鋁罐散熱測試體系。整個測試體系回路包括：額定發熱電阻、可調變壓電源、鋁罐、溫度計、磁力攪拌子、磁力攪拌儀、導線、鐵架臺固定裝置，恒功率鋁罐散熱測試裝置圖如圖1所示。測試前需要對鋁罐進行空白校正，確保兩個鋁罐的溫度誤差在0.5℃以內，方可對其中一個空白鋁罐進行涂料涂敷，進行散熱性能的對比測試。

圖1 恒功率鋁罐散熱測試裝置圖

2.1.2 散熱性能測試

在連接的兩個空白鋁罐進行測試，室溫21.5℃，無風，額定電壓，每隔一小分別測試兩個鋁罐的溫度，觀察兩個鋁罐溫度隨時間變化，穩定5h之后，兩個罐體的內部油溫在96-99℃之間，二者溫差小于0.5℃，認為體系穩定，發熱一致，可涂敷散熱涂料，進行散熱性能測試實驗。

對其中一個鋁罐罐體刷涂散熱涂料，在室溫16-18℃下采集數據，空白鋁罐及涂料鋁罐溫度隨時間的變化數據如表1所示。圖2為其對比曲線，橫坐標為同一時間，不同時間間隔的數據，僅表示數據點。可以看出，電壓穩定5h后，涂敷涂料的鋁罐相比空白的鋁罐油溫平均下降了5℃。

由于涂料中含有碳納米管、TiO2和BN，碳納米管本身具有超高的熱導率，同時還具有接近理論值的紅外輻射率，添加后其散熱涂層具有優異的綜合性能。碳納米管的導熱網絡及其自身高紅外輻射率的優勢，可通過紅外輻射的方式將熱量快速釋放出去[10-12]。TiO2納米顆粒具有高導熱性能，同時能有效將熱量轉化為紅外輻射[13-14]。BN納米顆粒具有高導熱，協同熱輻射能力[15-16]。因此，涂覆散熱涂料后，鋁罐內部溫度有明顯降低。

表1 涂料/空白穩定平衡溫度對比

圖2 熱平衡后的空白鋁罐和涂料鋁罐的溫度曲線

2.1.3 仿真計算

為驗證恒功率鋁罐散熱體系試驗結果，采用ANSYS對鋁罐涂覆散熱涂料前后進行溫度分布仿真。熱源加熱功率為20W，外表環境為20℃空氣自然對流，仿真結果如圖3所示。圖3（a）為空白鋁罐表面溫度分布，鋁罐內部中心區域溫度最高，上下兩端溫度較低，其外表面平均溫度為64.1℃，圖3（b）為空白鋁罐內部溫度分布，此時鋁罐內部中心溫度最高，從中心至外圍溫度逐漸降低，其內部硅油平均溫度為97.2℃。由于空氣對流及熱輻射，空白鋁罐表面溫度比內部溫度低33.1℃。圖3（c）為涂料鋁罐表面溫度分布云圖，可以看出，涂料鋁罐與空白鋁罐外表面溫度差別較大，涂料鋁罐中間區域溫度較高而上下兩端溫度較低，涂料鋁罐外表面平均溫度為56.8℃。圖3（d）為涂料鋁罐內部溫度分布，其溫度分布于空白鋁罐類似，均為中心區域溫度高而四周溫度較低，涂料鋁罐內部硅油平均溫度為89.6℃。

根據仿真結果可以得出，涂料鋁罐內部硅油溫度比空白鋁罐內部硅油溫度降低了7.6℃，與試驗結果相近。由于空氣對流及熱輻射，鋁罐表面溫度與內部溫度差別較大，涂料鋁罐表面溫度比空白鋁罐表面溫度降低7.3℃。散熱涂料可以有效降低鋁罐體系溫度，具有良好散熱效果。

圖3 恒功率鋁罐溫度分布

2.2 GIS管母體系

為了進一步驗證此散熱涂料具有良好散熱效應，可廣泛應用于電器設備，將散熱涂料涂覆于GIS的母線管上進行測試。工作電流不低于5 000 A。本次測試的是某公司的220 kV電壓等級的GIS單項母線管。

采用刷涂的工藝對鋁管進行散熱涂料的涂敷，對母線管一半進行散熱涂料的涂敷，一半進行空白對比，以串聯的方式確保電流一致。在GIS母線管表面連接溫度傳感器以測試其表面溫度，對比測試點選取干擾因素少的測試點，空白母線選取4,5,7三個測試點，涂料母線選取對應的11,12,14三個測試點。測試數據為設備的溫升數據，室溫在25℃左右。在封閉的一般車間內進行。

表2為5 000 A電流母線的溫升測試數據，表3為5 500 A電流母線的溫升測試數據。涂覆涂料后的涂料測試點較未涂覆涂料的空白測試點溫度均有不同程度的降低。可以得出，散熱涂料在SF6氣體環境下的密封母線管內的散熱效果明顯。當工作電流為5 000 A時，母線升溫約為40℃左右，在室溫為25℃的條件下，散熱涂料可使GIS母線管在65℃左右的基礎溫度下降溫3.7℃；當工作電流為5 500 A時，母線升溫約為50℃左右，在室溫為25℃的條件下，散熱涂料可使GIS母線管在75℃左右的基礎溫度下降溫4.7℃。

表2 5000A電流母線的溫升

表3 5500A電流母線的溫升

3 結束語

采用在環氧樹脂基體中填充具有高輻射率、高熱導率的無機材料的方式，將碳納米管、氮化硼、二氧化鈦、環氧樹脂、固化劑、流平劑、消泡劑和稀釋劑通過分散、研磨和過濾工藝，制備出高性能的紅外輻射增強散熱涂料。對制備出的散熱涂料進行散熱性能測試，得到如下結論：

1）該散熱涂料對自主設計的恒功率鋁罐散熱體系具有良好的降溫效果，涂覆了涂料的涂料鋁罐溫度比未涂覆涂料的空白鋁罐溫度降低平均下降了5℃。通過ANSYS對恒功率鋁罐散熱體系進行溫度仿真，空白鋁罐和涂料鋁罐內部溫度分布相近，均為中心溫度高四周溫度低，通過計算得知，涂料鋁罐比空白鋁罐內部溫度低7.6℃，與試驗結論相近；

2）采用刷涂工藝對GIS母線管進行散熱涂料的涂敷，散熱涂料可使GIS母線管在65℃左右的基礎溫度下降溫3.7℃，在75℃左右的基礎溫度下降溫4.7℃，證明此散熱涂料可以有效降低電器設備的溫升，為此散熱涂料廣泛應用于電器設備奠定了良好基礎。