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  • 有機硅知識:動力電池包工藝系列——導熱灌封膠
    來源:動力電池技術 作者:強力化工 發布時間:2023-10-23 11:43 閱讀次數:1994
         動力電池模組內部,傳熱、減震、密封、焊點保護等等,應用膠的地方不止一兩處,今天從導熱灌封膠的角度,整理環氧樹脂膠、硅橡膠、聚氨酯三種主要基材對應的導熱膠性質和工藝方法。


    1、本征導熱和填料導熱

    將導熱填料填充在高分子材料基體中制成導熱膠粘劑,其導熱性能主要取決于填料的種類,還與填料在基體中的分布等有關。因此,填料的用量、粒徑、表面處理等均將影響環氧樹脂導熱膠粘劑的導熱性能。當填料可以均勻分布在環氧樹脂基體中并且可以使填料在合適的用量下形成導熱通路時,導熱性能最佳。通常粒徑越大,越容易形成導熱通路,導熱性能就越好。對于填充型導熱膠粘劑,界面是熱阻形成的主要原因,通過對填料表面進行改性,增強界面作用力,可以在一定程度上提高導熱性能。

    2、本征型導熱膠粘劑

    不使用導熱填料,僅僅依靠聚合物在成型加工過程中通過改變分子鏈結構,進而改變結晶度,從而增強導熱性能。高聚物由于相對分子質量的多分散性,很難形成完整的晶格。目前,通過化學合成法制備的具有高熱導率的結構聚合物主要有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等,它們主要依靠分子內共軛Ⅱ鍵進行電子導熱,這類材料通常也具有優良的導電性能. 本征型導熱膠粘劑由于生產工藝過于復雜、可實施性差,而不為人們所選擇。


    填充型導熱膠粘劑
    通過控制填料在基體中的分布,形成連續的導熱網絡,進而增強膠粘劑的導熱性能。常用的導熱填料有金屬材料(Fe、Mg、Al、Cu、Ag)、碳基材料( 碳納米管、石墨烯、石墨)、氧化物(Al2O3、ZnO、BeO、SiO2)、氮化物(AlN、BN、Si3N4)。其中金屬材料與碳基材料多為非絕緣材料,金屬氧化物、氮化物多為絕緣材料。作為導熱填料,應該具備以下基本要求:高導熱系數、不與聚合物基體發生反應、化學和熱穩定性良好等。導熱填料與聚合物形成的復合材料導熱性能的好壞取決于填料本身的導熱率、填料在基體樹脂中的填充情況、填料與基體之間的相互作用。根據填充無機材料的不同,填充型導熱膠粘劑分為導熱絕緣膠粘劑和導熱非絕緣膠粘劑。常用的絕緣填料有Al2O3、AlN、SiO2 等,非絕緣填料有Ag、Cu、石墨、碳納米管等。
    氧化物絕緣材料中氧化鈹熱導率最高,但由于毒性較大而不被人們所使用。氧化硅、氧化鋁具有優良的電絕緣性能,而且價格低廉,得到了廣泛使用。氮化物絕緣材料中氮化硅、氮化硼由于熱導率高、熱膨脹系數低等優點,成為人們研究的熱點,但其價格昂貴,從而限制了其應用于工業生產。對于非絕緣填料來說,碳基材料主要有石墨烯,其熱導率高、導電性好,適用于導熱非絕緣膠粘劑。也可以將石墨烯與電絕緣性能優良的聚合物復合,得到導熱絕緣膠粘劑。目前,市場上主要導熱膠粘劑都屬于填充型導熱膠粘劑。
    典型絕緣填充料導熱系數


    2 三種主要灌封膠的比較

    優缺點

    灌封膠是一個廣泛的稱呼, 原來主要用于電子元器件的粘接,密封,灌封和涂覆保護,當前我們提到他們,則主要是因為灌封膠尤其硅膠越來越多的在動力電池系統中的應用。

    灌封膠材料可分為:

    環氧樹脂灌封膠: 單組份環氧樹脂灌封膠,雙組份環氧樹脂灌封膠;

    硅橡膠灌封膠: 室溫硫化硅橡膠,雙組份加成形硅橡膠灌封膠,雙組份縮合型硅橡膠灌封膠;

    聚氨酯灌封膠:雙組份聚氨酯灌封膠;

    有機硅橡膠

    優點:有機硅灌封膠固化后材質較軟,有固體橡膠和硅凝膠兩種形態,能夠消除大多數的機械應力并起到減震保護效果。物理化學性質穩定,具備較好的耐高低溫性,可在-50~200℃范圍內長期工作。優異的耐候性,在室外長達20年以上仍能起到較好的保護作用,而且不易黃變。具有優異的電氣性能和絕緣能力,灌封后有效提高內部元件以及線路之間的絕緣,提高電子元器件的使用穩定性。具有的返修能力,可快捷方便的將密封后的元器件取出修理和更換。

    缺點:粘結性能稍差。
    應用范圍:適合灌封各種在惡劣環境下工作以及高端精密/敏感電子器件。如LED、顯示屏、光伏材料、二極管、半導體器件、繼電器、傳感器、汽車安定器HIV、車載電腦ECU等,主要起絕緣、防潮、防塵、減震作用。
    隨著電子科技的大跨步式發展,由于具備諸多優異性能,有機硅橡膠將無疑成為敏感電路和電子器件灌封保護的較佳灌封材料。
    性能縱向對比
    成本:有機硅樹脂>環氧樹脂>聚氨酯;
    注:在有機硅樹脂中縮合型的成本接近了環氧樹脂,而改性后的環氧樹脂也接近了PU;
    工藝性: 環氧樹脂>有機硅樹脂>聚氨酯;
    注:PU因為其親水性,必須有真空干燥才能得到比較好的固化物,如無需真空和干燥的成本又實在太高,所以熱溶膠雖然是加熱溶解澆注,但總體來看其可操作性還是比PU的簡單的多;
    電氣性能:環氧樹脂樹脂>有機硅樹脂>聚氨酯;
    注:加成型的有機硅或者是石蠟等類型的熱溶膠,有的電氣特性甚至比環氧的還要高,例如表面電阻率;
    耐熱性:有機硅樹脂>環氧樹脂>聚氨酯;
    注:低廉價格的PU其耐熱比熱溶膠好不了多少;
    耐寒性:有機硅樹脂>聚氨酯>環氧樹脂;
    注:很多熱溶膠的低溫特性其實也是非常不錯的,所以在很多時候,環氧是要排在最后的了;
    硅橡膠可在很寬的溫度范圍內長期保持彈性, 硫化時不吸熱、不放熱, 并具有優良的電氣性能和化學穩定性能, 是電子電氣組裝件灌封的首選材料。
    室溫硫化(RTV) 硅橡膠按硫化機理分為縮合型和加成型,按包裝形式分為單組分型和雙組分型??s合型硅橡膠硫化時通常會放出低分子物。因此, 在灌封后應放置一段時間, 待低分子物盡量揮發后方可使用。加成型RTV 硅橡膠具有優良的電氣強度和化學穩定性, 耐候、防水、防潮、防震、無腐蝕且無毒、無味, 易于灌注、能深部硫化, 收縮率低、操作簡單, 能在-65 ~ 200 ℃下長期使用;但在使用過程中應注意不要與N 、P 以及金屬有機鹽等接觸, 否則膠料不能硫化。
    灌封基本工藝流程
    灌封工藝按電器絕緣處理方式不同, 可以分為模具成型和無模具成型兩種 ;模具成型又分為一般澆注和真空灌注兩種。在其它條件相同時一般采用真空灌注。
    灌封中常見的問題
    模具設計,硅橡膠在使用時是流體, 為了不使膠料到處漏流, 造成膠料浪費和污染環境, 模具的設計很關鍵。模具設計一般要做到以下幾點:便于組裝, 拆卸, 脫模;配合嚴密, 防止膠料泄漏;支撐底面平整, 以保證干燥過程中膠層各部分厚度基本一致, 便于控制灌封高度。

    氣泡,膠料中混入氣泡后, 不僅影響產品外觀質量, 更重要的是影響產品的電氣性能和機械性能。對于硅橡膠, 由于韌性好, 氣泡主要影響產品的電性能。產生氣泡的原因主要是:反應過程中產生的低分子物或揮發性組分;機械攪拌帶入的氣泡;填料未徹底干燥而帶入的潮氣;原件之間的窄縫死角未被填充而成空穴。對于雙組分硅橡膠 , 膠料混合時必須充分攪拌。采用真空干燥箱進行真空排氣泡處理, 可使膠層質量明顯提高, 且強度、韌性同時提高。

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