納米石墨烯陶瓷輻射涂料在電機控制器上的應用研究

＊王剛 李韋韋 曹蕾 潘棟杰

（江蘇江南烯元石墨烯科技有限公司 江蘇 213149）

在電動車輛中，電機控制器的功能是根據檔位、油門、剎車等指令，將動力電池所儲存的電能轉化為驅動電機所需的電能來控制電動車輛的啟動運行、進退速度、爬坡力度等行駛狀態，它是電動車輛的關鍵零部件之一[1]。

當控制器自身溫度超過一定溫度后，自動降低輸出電流，并有最高溫度限值保護。一般來說在電動車負荷過大或者爬坡時候，控制器輸出電流過大，導致內部溫度過高，一旦超過溫度限值，會使電動車輸出效率大大下降，因此，控制器的經濟快速散熱方式成為難題。

傳統的電子元件為了散熱通常加裝金屬散熱翅片，但是金屬表面的熱輻射系數很低，在對流狹小的空間，輻射散熱成為主導，通過涂層技術改善金屬表面的熱輻射效率，是提高金屬材料散熱性能的重要途徑[2-7]。

文獻表明涂層技術包括陽極氧化和噴涂散熱涂料[8-13]。散熱涂料以施工簡便、價格低廉、不受材料限制被廣泛關注。傳統輻射填料包括納米碳球、碳納米管、石墨、碳化硅等。相關文獻表明超細化、納米化的物質能有效降低物質折射系數，從而增強物體的發射率[14-15]。

石墨烯的制備方法主要包括化學法和物理超聲剝離法。化學法制備的石墨烯片層薄，但片層結構破壞較大，使得熱阻增大散熱效果不佳。物理超聲剝離法是先將少量膨脹石墨分散在相應的溶劑中，利用超聲波能量來破壞石墨的層間作用力，使溶劑插入到石墨層間進行剝離制備，從而得到石墨烯微片[16]，但此種方法制備的粉體，粒徑偏大，片厚較大，使得粉體在樹脂中的分散不良，導致涂層連續性和致密性不佳也會導致散熱性能的降低，因此，如何制備出既保持完整石墨烯片層結構和納米尺度的粉體成為了關鍵問題。本論文以制備納米片徑和厚度薄的石墨烯為核心，通過均質和砂磨技術，利用多級分選工藝制備了納米石墨烯；基于環保和提高耐溫性及增加熱輻射系數為目的，我們選用水性納米陶瓷樹脂為粘結劑制備了高輻射、高導熱的輻射涂料。水性陶瓷涂料的主結構為硅氧烷、二氧化硅、納米鋁等為原料，并以醇水為溶劑的無機納米聚合物。其主要是由硅氧鍵所組成（-O-Si-O-）。硅氧鍵的鍵結能遠大于有機樹脂中的含碳鍵結，如碳氧鍵（-C-O-）、碳碳鍵（-C-C-）、碳氫鍵（-C-H-），所以能產生更優異的耐化性、耐溶劑性、耐熱性（600～1200℃）、高硬度（6～8H）及耐磨性。這些性能在電動車裝機試驗中也進一步得到了驗證。

1.實驗部分

(1)原材料及設備

自制納米石墨烯；PVP、CMC（國藥）；水性陶瓷樹脂（廣東佛山綠之樹新材料科技有限公司）；均質機（蘇州安拓思科技）；砂磨機（常州固堡科技）；真空行星攪拌機（無錫智彤緣豐科技）；鹽田W-71C噴槍；激光粒度儀（丹東百特）。

(2)納米石墨烯及輻射涂料的制備

①納米石墨烯的制備方法

稱取一定量的膨脹石墨微片，加入高速分散機中，定量加入水和PVP，攪拌均勻后將液體泵入均質機，隨后將產物通過隔膜泵抽入砂磨機進行砂磨，最后通過高壓過濾去除大片徑顆粒，將收集的溶液進行壓濾處理，得到固含約為16%的濾餅待用。

②輻射涂料的制備方法

稱取20kg水性陶瓷樹脂（固含25%）和8kg石墨烯濾餅（16%）在真空行星攪拌機中進行中速混合，經過濾機出料得到灰黑色均勻液體。

(3)測定與表征

使用場發射掃描電鏡（Navo Nano SEM450）進行樣品的表面形貌和微結構表征；使用原子力顯微鏡（Dimension Edge）進行納米尺度材料表面形貌及粗糙度分析；使用激光拉曼光譜儀（inVia Reflex）進行化合物拉曼特征鑒定；使用激光熱導儀（LFA467）進行薄膜的導熱系數、熱擴散系數測試。

①導熱樣品的制備

在干凈的PET表面噴涂輻射涂料制備成黑膜樣品，用適當工具裁取一片直徑約25.4mm的正圓形樣品采用千分尺或數顯測厚儀準確測量樣品的厚度將樣品放入In-Plane支架，再將支架放入25.4mm圓形標準支架中，放入儀器待測制樣時全程佩戴手套，以防雙手表面的汗液或油污沾染到樣品表面，造成測試結果的偏差。保證樣品不褶皺卷曲、表面沒有劃痕，邊緣無過多毛刺。

②電機控制器表面噴涂處理

選用科幻公司的18管1000W的電機控制器，樣品噴涂用手動噴槍進行。噴涂前需出料均勻，霧化良好。噴頭距離基板約200mm，從左至右均勻掃過。保證涂料在基板上實現良好遮蓋。濕膜厚度約60μm，干膜厚度約10μm。噴涂后應靜置1min后再進行烘烤，實現更好的涂層平整度，并防止起泡。固化方式：180℃烘烤10min，烤干后，再經過250℃烘烤20min即可。為了方便對比此款輻射涂料的散熱效果，我們選取蘇州砥創公司的油性環氧石墨烯（D50為7μm）散熱涂料做對比，對比樣品記為B-油性石墨烯，本文輻射涂料記為C-納米石墨烯。

2.結果與討論

(1)納米石墨烯結構表征

表1 納米石墨烯的粒度表征

圖1為制備的納米石墨烯掃描電鏡照片，圖中表明石墨烯宏觀尺寸大都集中在納米尺寸，且均為平整薄片，通過激光粒度儀測定粉體的粒度，如表1所示，粉體的D50為0.743μm，與SEM數據吻合，可以看出制備的石墨烯符合納米尺寸要求。

圖2為制備的納米石墨烯的拉曼表征，從圖中可知，位于1600cm-1附近的G峰，以及2700cm-1左右的2D峰為特征峰，在1350cm-1出現的缺陷特征D峰，表明所制備的石墨烯含有少量缺陷。

圖2 納米石墨烯的拉曼表征

圖3 納米石墨烯的AFM表征

表2 輻射涂料涂層的水平導熱系數測試

表3 輻射涂料涂層的縱向導熱系數測試

圖3為制備的納米石墨烯的AFM表征。從圖中能看出粉體具有宏觀尺寸上的納米片徑，以及厚度上的納米尺寸，通過測量其厚度，分析得出厚度大約在1.5～2nm之間，屬于少層石墨烯。

(2)輻射涂料的導熱系數測試

表2和表3為輻射涂料涂層利用激光導熱儀測得的導熱系數，其中水平導熱系數平均值為11.5W/(m·K)左右，縱向導熱系數平均值為4W/(m·K)左右。

(3)輻射涂料的性能指標

如表4所示，所制備的輻射涂料突出的性能包括高紅外輻射率，硬度以及耐溫性，傳統的有機樹脂長期耐溫不能大于250℃，限制了輻射涂料的應用范圍，應用陶瓷樹脂的輻射涂料可應用在包括加熱PTC取暖器、溫度大于300℃的環境中長期使用。

表4 輻射涂料的性能指標

(4)輻射涂料在電機控制器的實例應用

為了測試輻射涂料的真實散熱效果，我們選用科幻公司的18管1000W的電機控制器（圖4）進行噴涂，并由廠家進行電動車裝載實測。為了對比效果，選定了不噴涂輻射涂料的A-空白樣，噴涂其他廠家油性散熱涂料的B-油性石墨烯做對比，實驗參數為：環境溫度5℃，MOS管（SKD502T），電源為60V，電流38.5A，外加負載800。實驗的真實數據（部分）如表5、表6、表7所示。

圖4 電機控制器實圖

表5 A-空白電機控制器導熱溫度測試

由表8可以看出，從加載負載直至電機控制器腔內到達80℃的時間長短來判斷輻射涂料的散熱優劣，空白電機控制器60min達到溫度限值，對比廠家油性環氧散熱涂料75min到達溫度限值，納米石墨烯陶瓷輻射涂料165min到達溫度限值，散熱性能超過一倍多。納米石墨烯陶瓷輻射涂料之所以性能突出，主要原因有兩點，一是將原有微米尺寸的石墨烯納米化，降低了填料的粒徑尺度，增加了表面積，從而發射率相對提高[17-20]，而且將此粉體與水性陶瓷樹脂結合，利用陶瓷樹脂本身具備的輻射能力，不會弱化整體涂料的性能。二是對比油性環氧樹脂，固含高，噴涂厚度大，使得散熱效果不佳，而陶瓷輻射涂料由于固含低，噴涂厚度比較薄，在滿足漆面的要求下更容易體現散熱效果。

表6 B-油性石墨烯電機控制器導熱溫度測試

表7 C-納米石墨烯電機控制器導熱溫度測試

表8 三種樣品升溫至80℃時間

3.結語

輻射散熱涂料是一種對熱輻射具有很高發射率或吸收率的功能型節能材料，能夠強化熱源與受熱面或受熱體之間的輻射熱交換，以達到提高熱利用率及節能的目的。輻射散熱涂料具備良好的熱穩定性和化學穩定性，并能夠與金屬或陶瓷基體高強度的結合。除此之外，良好的絕緣性、防腐性、防水性、抗酸堿性使它成為國內外普遍認可的一種重要的節能技術和產品[21]。石墨烯是輻射涂料的理想材料之一，但真正利用石墨烯的平面特性及高導熱率是研究者的難點。本文以制備納米尺寸的石墨烯為核心，充分結合水性陶瓷涂料的環保型、耐溫性、適用性及高輻射率等優點，將輻射涂料在電機控制器的散熱問題上進一步得到了提升，該輻射涂料以輻射能力強、涂層薄、熱阻小為顯著特征，可以激發金屬散熱器表面的共振效應，顯著提高遠紅外發射率，加快熱量從散熱器表面的散發[22]，為今后以輻射散熱的應用領域提供了經濟的解決方案。