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高强度导热高分子绝缘板的研究

作者:    时间:2018/3/26 15:52:42

高强度导热高分子绝缘板的研究

李洪彬,马跃东,张宏伟

 

摘要:通过在酚醛塑料基体中加入导热网的方式形成复合绝缘板,通过对复合绝缘板的导热系数、介电强度及冲击强度的测试研究了导热网的目数及上、下两层导热网间的距离对复合绝缘板性能的影响。结果表明,随着导热网密度的提高,导热系数提高,随着导热网距离的加大,对复合绝缘板介电强度的影响越来越低,同时因导热网的引入,冲击强度有一定程度的提高。

关键词:绝缘材料; 酚醛塑料 ;导热系数

 

Study of the high thermal conductive and strength polymer insulating board

LI Hong-bin,MA Yue-dongZHANG Hong-wei

Abstract: Insulating boards were prepared by adding thermal conductive net. The effects of the distance of two layer of conductive thermal net and the state of conductive thermal net on thermal conductivity dielectric strength and impact strength were studied .  the results showed that the thermal conductivity increased  with the amount of thermal conductive net and the effect on the dielectric strength decreased with the distance of distance of two layer of conductive thermal net and the impact strength was improved to some extent due to the introduction of the conductive thermal net.

Key words: insulating;phenolic plastic; thermal conductivity

 

0 引言

随着电器电子工业的快速发展,高强度高导热高分子绝缘板得到市场的青睐。导热材料是热传递媒介,它可以辅助散热,增加热流通道,增强散热效率,减少摩擦和振动损伤。随着大型空冷汽轮发电机和大功率电子元器件的高速发展,对绝缘材料的导热性及绝缘结构的热传导等性能提出了越来越高的要求,目前研究的导热高分子材料是将导热的粉末填料填充到导热不良的高分子材料中,这种方法,当填充的量比较少时,填料粒子彼此独立分散在基体中,它们之间没有相互作用,对整个体系的导热性影响不大,当填料量量达到一定程度后,填料粒子间有了相互作用,提高了体系的导热性,导热填料有铝粉、钙粉、镁粉、铜粉、金粉、银粉、氮化铝粉 和碳化硅粉等,上述材料的导热系数[1]如表1所示。

表1  一些材料的导热系数

Tab. 1  Thermal conductivity of some fillings

材料

氮化铝

碳化硅

导热系数(W/m·K

190

380

109

398

417

315

320

270

若用这种方法对绝缘材料进行导热性的改进,采用导电的铝粉、镁粉、铜粉、和银粉加入到绝缘材料基体中,虽然体系的导热性提高了,但同时会使整个体系的绝缘性能大大降低; 采用绝缘性较好的金粉、氮化铝粉会使绝缘材料的成本大大提高,而采用碳化硅粉,将其加入到到绝缘材料中,在绝缘材料成型的压制或注塑过程中由于碳化硅的高硬度而使成型的模具的表面快速磨损,为此,本文通过采用绝缘层与导热层复合的方法,以酚醛塑料为基体,以铜丝网、铝丝网为导热层的导热网,制备高强度导热高分子绝缘板。通过实验确定最佳的复合工艺,研究导热层的性质对绝缘板性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

酚醛模压塑料,哈尔滨市乐园电工塑料厂;导热网为铜丝网,160目、120目、100目、60目、40目,安平县津华丝网厂。

1.2酚醛模压塑料的合成方法

   本研究采用的绝缘材料基体有以下几种,一是PF2A4-161酚醛模压塑料、二是PF2A2-141酚醛模压塑料、三是增强酚醛模压塑料,其中增强酚醛模压塑料的制备方法如下:

   先按质量百分比称取50%的117酚醛树脂(哈尔滨市乐园电工塑料厂生产)、20%粉状木质纤维素(德国进口)、10%的木粉、6%的乌洛托品、3%的氧化镁、1%的氧化钙、3%的滑石粉、4%的碳酸钙粉、2%的硬脂酸锌、1%油黑:再将117酚醛树脂粉碎成60目的粉末后加入到混合机中,然后再依次加入木粉、木质纤维素、氧化镁、氧化钙、滑石粉、碳酸钙粉、硬脂酸锌和油黑,混合均匀后运送至热辊塑炼机,在前辊温度为90℃、后辊温度为120℃、辊间距为8mm的条件下塑炼至物料的流动性为130~160mm,得到增强酚醛模压塑料。

    1. 高强度导热高分子绝缘板的制备方法

        取压制绝缘板的模具,将导热网剪成与模具一致的形状并将导热网固定在模具内,其中导热网分为上、下两层,两层导热网之间有一定的距离,再将模具加热至180~200℃,然后将酚醛模压塑料加入到模具中,热压至酚醛模压塑料固化完全,得到高强度导热高分子复合绝缘板。该复合绝缘板的结构如下图所示,分为三层,位于上、下导热层之间的部分为绝缘层,从上层导热网至板的上表面为上导热层,从下层导热网到板的下表面为下导热层。导热网嵌入绝缘层中,从复合绝缘板的侧面可以看到暴露的导热网的端部。

       

       

       

       

       

       

       

       


                图1 复合绝缘板的示意图  1为绝缘基体,2为导热网

                 Fig.1 The drawing of the composite insulation board   1  The dielectric base 2   net for conducting heat

1.4 复合绝缘板导热系数的测定

采用DRH-Ⅲ导热系数测试仪,根据GB/T3399《塑料导热系数试验方法 护热平板法》。

1.5 介电强度测试

    按国家标准GB1404-95进行测试。

1.6  冲击及弯曲强度测试

按国家标准GB1404-95进行测试。

  1. 结果与讨论

    1. 铜丝网的目数对复合绝缘板导热性的影响

      铜丝网镶嵌在绝缘基体中,由铜丝网构成热流的通道。采用PF2A4-161酚醛模压塑料、PF2A2-141酚醛模压塑料及增强酚醛模压塑料为绝缘基体,分别以160目、120目、100目、60目、40目的铜丝网制备的复合绝缘板的导热系数如表2所示。

      表2  复合绝缘板的导热系数

      Tab. 2  Thermal conductivity of composite insulation board

铜丝网目数

复合绝缘板的导热系数(W/m·K

PF2A4-161酚醛模压塑料

PF2A2-141酚醛模压塑料

增强酚醛模压塑料

未加铜丝网

0.17

0.16

0.17

160

1.32

1.32

1.33

120

1.30

1.30

1.34

100

0.82

0.94

0.87

60

0.65

0.72

0.69

40

0.60

0.55

0.61

从表2可以看出,嵌入铜丝网的复合绝缘板比未加入铜丝网的绝缘板的导热性明显提高。嵌入绝缘基体中的铜丝网将基体中热量收集并快速导出,从表2还可以看出,铜丝网的目数对导热性有一定的影响,铜丝网的目数越大,也就是铜丝的密度越大,导热效果越好。

2.2  铜丝网的间距对复合绝缘板介电性能的影响

铜是电的良导体,绝缘材料中加入电的良导体,对绝缘材料的介电性能会产生不利影响,因此上、下导热层之间的距离是保证复合绝缘板介电性能的关键参数。以120目的铜丝网为导热网,以PF2A4-161酚醛模压塑料做绝缘基体,改变上、下两层导热网之间的距离,测试复合绝缘板的介电强度,得到的数据如表3所示。

表3  复合绝缘板的介电强度

Tab. 3  Dielectric constant of composite insulation board

铜丝网目数

复合绝缘板在90℃油中的介电强度(kV/mm)

未加铜丝网

3.4

20mm

3.0

10mm

1.6

5mm

0.37

2mm

0.36

从表3可以看出,将铜丝网加入到绝缘基体中,当铜丝网的距离较大时,对复合绝缘板的介电性能影响较小,而当铜丝网的距离近至一定程度时,会使该绝缘的绝缘性能大大降低。

2.3  铜丝网的目数对复合绝缘板强度的影响

分别以160目、120目、100目、60目、40目的铜丝网做为绝缘网,固定上、下两层导热网之间的距离为5 mm,以增强酚醛模压塑料做绝缘基体制备复合绝缘板,测试复合绝缘板的冲击强度,得到的数据如表4所示。

表4  复合绝缘板的冲击强度

Tab. 4  Impact strength of composite insulation board

铜丝网目数

复合绝缘板的冲击强度(MPa)

未加铜丝网

8.2

160

9.6

120

10.4

100

10.3

60

10.8

40

11.6

从表4可以看出,将铜丝网加入到绝缘基体中,可以在一定程度上提高复合绝缘板的冲击强度,是在绝缘基体在压制成型的过程中,由于镶嵌到绝缘基体中的铜丝网与绝缘材料形成了独特的互穿网络结构,使铜丝网成了增强体,从而提高了复合绝缘板的冲击强度。

  1. 结论

    在绝缘材料基体中嵌入导热网,在绝缘层的上、下两侧形成热导层,构成复合绝缘板,通过合理确定上、下导热层的间距,可以使得到的复合绝缘板在基本保持材料绝缘性的基础上,大大提高导热性,同时也使冲击强度性能有所提高。本文通过试验得到最佳的工艺参数为:采用100目的铜丝网做为导热网,保持上、下导热网之间的距离为20mm,当以增强酚醛模压塑料做绝缘基体时,得到的复合绝缘板的导热系数为1.32W/m·K,在90℃油中的介电强度3.1kV/mm,冲击强度为10.5 MPa。该复合绝缘板可用于大型空冷汽轮发电机和大功率电子元器件中,同时满足导热及绝缘的要求。

     

    参考文献:

    [1] 任芳,任鹏刚,狄莹莹.导热绝缘高分子复合材料的研究进展[J].包装工程,2009,30(2):122-124.

     

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