高导热绝缘衬垫材料的研究

杨明国，王姗姗，焦丕玉

（1. 海军驻武汉712所军事代表室；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

高导热绝缘衬垫材料的研究

杨明国1，王姗姗2，焦丕玉2

（1. 海军驻武汉712所军事代表室；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文研制了可用于层压母线的高导热绝缘衬垫材料。分别选用聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、间位芳香族聚酰胺纤维（NOMEX纸）作为基材，对比了三种基材的导热性，然后双面涂覆自制高导热胶粘剂，制成导热绝缘衬垫材料。TGA结果表明自制高导热胶粘剂的热稳定性较普通胶粘剂有一定提高。所制得的PI导热绝缘衬垫材料最高导热系数可达0.316 W/(m· k)，并表现出了较好的综合性能。

高导热 绝缘材料 层压母线

0 引言

层压母线广泛应用于电力及混合牵引、蜂窝通讯、变频电源、大型网络设备、电动设备的功率转换模块等领域，其通过绝缘衬垫材料热压成一体。随着层压母线大功率化的不断发展，其散热问题日趋凸显。这对其中重要组件绝缘衬垫材料的导热性能提出了更高的要求，因此开发高导热的绝缘材料成为大功率层压母线的主要研究方向之一[1-4]。

绝缘衬垫材料主要由两部分组成，一部分为衬垫基材，其主要表现为绝缘、支撑补强作用；另一部分为胶粘剂，主要作用为粘接母排，使其成为一个整体。要提高衬垫材料的导热性主要从基材与胶粘剂两个方面出发分别进行导热改善。本文选用的衬垫基材分别为聚酰亚胺[5]、聚酯与间位芳香族聚酰胺纤维三种，通过导热系数与热重分析筛选出导热性最优的基材。胶粘剂为自制胶粘剂，根据聚合物导热机理所有物质的热传导都是物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果，一般高分子材料本身的导热性能很差，是热的不良导体，所以只有通过填充高导热性的填料增加材料的热导率[6-7]。因此本文选择一种高导热无机填料来提高胶粘剂的导热性能。通过基材与胶粘剂的选择，采用双面涂布的方式进行材料的复合，制备了高导热的绝缘衬垫材料。

1 实验

1.1 主要原料

聚酰亚胺基材（PI）：A厂家；聚酯（PET）：B厂家；间位芳香族聚酰胺纤维（NOMEX纸）：C厂家；胶粘剂：自制；导热填料（SiO2）：0.1μm～1μm。

1.2 试验仪器及设备

1.3 实验过程

1.3.1 高导热胶粘剂的制备

首先将改性环氧树脂、增韧剂、混合稀释剂按一定比例分批次混合搅拌均匀。待温度降至常温后，加入一定比例的潜伏性固化剂至其溶解待用。然后将一定量的表面改性SiO2超声分散于配制待用的胶粘剂中，制备成高导热胶粘剂待用。1.3.2高导热绝缘衬垫材料的制备

将自制的高导热胶粘剂通过涂布机均匀地涂布在各种基材（包括PI、PET、NOMEX纸）上，涂布前增加搅拌工序，防止无机填料沉降。控制上胶厚度在0.020 μm±0.005 μm，后在60℃～100℃的烘箱中表干30 min，悬挂待用。

2 性能测试

2.1 绝缘衬垫材料导热系数测定

采用导热系数测定仪测量绝缘衬垫材料导热系数。每种材料分别得到三个数据，三个数据的平均值即为所测材料的导热系数。

2.2 胶粘剂热重分析试验

测试流程为：室温样品称重放入坩埚测试→以10℃/min的速率升温至600℃→记录质量损失→降至室温→关闭电源完成测试。.

2.3 绝缘衬垫材料击穿电压试验

分别取三点测量击穿电压数据，测量被测材料的厚度，三点测量值的平均数据为材料的击穿电压，记录以供计算。

2.4 胶粘剂扫描电镜表征

将被测试样按要求裁切成合适大小，从不同角度进行形貌拍摄。

2.5 粘接强度

每种试样分别取三个样品进行测试，三个测试值取平均值作为粘接强度。

3 结果与讨论

3.1 绝缘衬垫材料基材的选择

3.1.1 基材种类对导热系数的影响

绝缘材料基材的主要作用是绝缘与支撑补强，根据这一特性，本文选择了绝缘性能较好的三种材料聚酰亚胺、聚酯与间位芳香族聚酰胺纤维，通过导热测试仪测定了三种基材的导热系数，结果如图1所示：

图1 基材导热系数柱状图

从图1中我们可以看出，绝缘衬垫材料基材的导热系数为PI＞PET＞NOMEX，所选择的PI基材的导热系数最高为0.262 W/(m· k)，说明该材料导热性能最好。绝缘聚合物材料热导率取决于含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度，这种极化所需的时间为10-9S左右。一般极性高聚物都有这种变化，PI所含极性基团多，且较易极化，所以对比其它基材PI材料的导热性能最优。

按照以上数据的结论，在层压母线绝缘结构的设计中，可以优先考虑选择PI做基材的绝缘衬垫材料。

3.2 导热填料对胶粘剂性能的影响

3.2.1 填料含量对胶粘剂导热系数的影响

在高导热胶粘剂中，改善导热性的主要因素是导热填料，为了表征填料含量对高导热材料的影响，本文对不同填料含量的导热胶粘剂进行了导热系数测定，结果如图2所示。

如图2所示，随着填料的增加，绝缘材料的导热系数逐渐增加，因为随着导热粒子的增加，粒子逐渐在基体树脂中形成导热网络，使得热流沿着热阻较小的粒子通过，因此导热系数不断提高。

图2 导热填料含量对导热系数的影响

3.2.2 导热填料对胶粘剂热稳定性的影响

胶粘剂是绝缘衬垫材料的重要组成部分，在满足剪切强度要求的前提下，对胶粘剂的导热性进行改善意义重大。本研究在胶粘剂中添加了一种高导热无机填料改性微米级SiO2，对添加前后胶粘剂的热失重进行了分析，结果如图3所示：

图3 胶粘剂热重分析图

从图3(a) (b)可知，在365℃，未添加填料的胶粘剂质量损失17.18%；添加高导热填料的胶粘剂在350℃时，质量损失8.94%。以上数据充分说明了添加填料的高导热胶粘剂质量损失明显小于未改性胶粘剂，热稳定性显著提高。添加填料的高导热胶粘剂质量损失少的原因主要有如下两点：一方面因为添加的填料有效改善了胶粘剂的导热性能，使胶粘剂内部的热量迅速向外部扩散，从而减小胶粘剂内部因热量囤积而造成的质量损失；另一方面添加填料后，高分子材料所占比例减小，无机填料比例增加，导致在相同温度下添加填料的胶粘剂较未添加填料的胶粘剂质量损失少。比较图3(a) (b)，改性后的胶粘剂的分解温度高于未改性的胶粘剂，也说明材料的稳定性得到一定的提高。

3.2.3 改性胶粘剂扫描电镜（SEM）分析

为了观察填料在胶粘剂中的分散形态，本文拍摄了胶粘剂的截面图，结果如图4所示。

图4 胶粘剂扫描电镜图

从图4可以看出，所添加的高导热填料没有出现明显的团聚现象，填料经过表面处理，其在基体树脂中的分散较为均匀。

3.3 高导热绝缘衬垫材料的结果与讨论

通过分别对衬垫基材与胶粘剂进行分析，初步制定了高导热绝缘衬垫材料制作方案，双面涂覆胶粘剂于衬垫基材上，并对所制得的材料进行了导热系数测定、热失重分析、以及综合性能指标考核。

3.3.1 衬垫材料导热系数的测定

分别使用普通胶粘剂和导热胶粘剂双面涂覆于三种基材上，测试导热系数结果如图5所示。

图5 衬垫材料导热系数柱状图

如图5所示，使用高导热胶粘剂所制得的衬垫材料的导热系数较普通胶粘剂制得的材料的导热系数有了一定的提高，且使用PI基材导热胶粘剂的导热系数提高到了0.316 W/(m· k)，满足了我们提高导热系数的期望。

3.3.2 绝缘衬垫材料击穿电压试验及粘接强度测试

我们对三种基材制备的双面涂胶绝缘衬垫材料固化物进行了击穿强度测试，并对弯折后的电气强度也进行了测试，测试结果见表1。

从表1的结果可以看出，双面涂胶绝缘衬垫材料的击穿强度PET＞PI基材＞NOMEX纸基材，击穿强度保持率PI基材＞PET基材＞NOMEX纸基材。无论从折弯前后击穿强度的实测值还是击穿强度的保持率均较大，均可以满足层压母线耐电性能和叠压完成后的局部弯折要求。

表1不同基材绝缘衬垫材料固化物弯折前后电气强度测试值（厚度为0.17mm±0.01 mm）

本文对复合材料的粘接强度进行了测试，结果如表2所示，复合材料在满足较佳的击穿强度的同时，依然保持较高的粘接强度，PI复合材料的粘接强度为1.32 N/mm2。

表2 绝缘衬垫材料粘结强度测试值

4 结论

试验结果表明，相对于没有涂覆高导热胶粘剂的衬垫材料而言，涂覆高导热胶粘剂的衬垫材料其导热性能有了显著的提高，PI基材衬垫材料的导热率由0.263 W/(m· k)提高到了 0.316 W/(m· k)；根据热重分析从侧面说明添加高导热粒子的胶粘剂的稳定性高于普通胶粘剂；电性能试验表明PI基材的衬垫材料在弯折前后击穿强度保持率最高为97.7%可满足产品弯折方面的需求且依然保持较优的拉伸剪切强度。

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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

杨明国(1966-)，男，硕士。研究方向：机电一体化。