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DLE东莞华南锂电展|新能源汽车用导热灌封胶影响因素

更新时间:2022-10-06 02:43:55 作者:欧宝体育登陆入口 来源:欧宝体育app官网下载

  新能源汽车,是解决能源、环境、城市交通等问题的一个主流趋势,也是未来汽车产业发展的一个主要方向。然而中国的新能源汽车能走多远,取决于动力电池能走多远。动力电池作为新能源汽车的核心,是提高续航里程和改善整车性能的关键。

  目前动力电池大多数是锂离子电池,然而锂离子电池在充电、碰撞等情况下易引起连锁放热反应造成热失控,导致汽车冒烟、失火、甚至炸掉等严重事故。且动力锂电池组的性能包括能密度、使用寿命、放电倍率等受温度影响很大,很多部件都需要严格的热治理,如:电池、电控、电机、娱乐系统等等,需要将热量及时导出,避免部件的损坏以及电池过热引发起火的风险,所以动力电池热管理技术是新能源汽车的核心技术之一。

  目前应用在整车热治理系统的导热材料有:导热硅胶片、导热绝缘材料、导热灌封胶和导热填缝材料。

  其中,导热灌封胶是目前新能源电动汽车应用较为广泛的一种有机硅导热灌封胶材料,能在室温条件下通过加成固化反应形成一种柔软、有弹性、表面具有粘附性的有机硅弹性体,同时还具有优异的电气绝缘性能。在传统汽车领域,导热硅胶灌封胶已广泛应用于电子电源模块、高频变压器、连接器、传感器等,提供导热性能的同时又具有绝缘、填充、保护等作用。

  导热灌封胶之所以可以作为散热材料是因为它比空气拥有更高的导热系数,20℃下空气的导热系数为0.0267W/(m.K),而导热灌封胶可以通过配方优化而得到更高的导热系数,从而可以把电器件产生的热量以更快的速度传递出去。

  这就好比在炎热的夏天,直接跳进水里泡着显然要比风扇吹风更快速降温,因为水完全包围着人体,相较于导热系数非常小的空气,热量能够更快的从身体中传递出去——而灌封胶就是用液体聚合物体系(通常是两个组分)填满电子器件周围空气空间的过程(如下图深蓝色部分)。

  灰色及黑色代表两个不同表面,浅蓝色代表空气,深蓝色代表热界面材料。当两个物体表面接触在一起的时候,不可能完全紧密地接触在一起,因为物体表面都会有粗糙度,总会有一些空气隙夹杂在其中,而空气的导热系数非常之小,因此就造成了比较大的接触热阻。而使用柔软可塑的热界面材料就可以尽量填充这个空气隙,降低接触热阻,提高散热性能。

  考虑到电机的实际工况条件,所用的灌封胶需具有高导热、流动性好、耐开裂、粘结力强等性能,否则在用于汽车电机时会有灌封困难,增加汽车整重造成汽车能耗比过高的问题。

  适用于电动车里给电子元器件和动力电池模组的灌封胶材料可分为:环氧树脂灌封胶;硅橡胶灌封胶(有机硅灌封胶);聚氨酯灌封胶。下面以环氧树脂灌封胶为例,看看影响灌封胶性能的因素有哪些。

  环氧树脂在固化过程中会产生一定的收缩,若使用单纯的环氧树脂用作电机灌封,当灌封胶固化收缩产生的应力大于灌封胶与机壳间的粘结力时,会造成脱壳现象;而当灌封胶固化收缩产生的应力小于灌封胶与机壳间的粘结力且灌封胶强度较差时,会造成灌封胶开裂现象。所以,为了避免这些现象的出现,需要降低灌封胶的固化收缩率,增加灌封胶的强度,而往灌封胶中加入一定量的填料可以有效降低灌封胶的固化收缩率。

  但是填料的添加量不可过多也不可太少。填料用量太少灌封胶的固化收缩率高,加多了虽然可以继续降低灌封胶的固化收缩率,但是随着填料的增加,灌封胶的黏度也会大幅增长。

  一般导热材料使用至多的导热填料是Al2O3;而高导热性能的多采用金属氮化物,如:SiN、AlN较为常用。导热材料的热导率不仅与导热填料本身有关,而且与导热填料的粒径分布、形态、界面接触、分子内部的结合程度等密切相关。

  一般而言,纤维状或箔片状的导热填料的导热效果更好。另外,使用不同粒径复配的填料配制的灌封胶的导热能力也会较好。这是因为单一粒径的填料颗粒不能很好地在灌封胶内部形成连续的导热通道,颗粒与颗粒之间存在间隙,而不同粒径的填料颗粒之间,小粒径的填料可以很好地弥补大颗粒填料之间产生的间隙,形成完整的导热通道,达到更好的传热效果。

  阻燃剂的加入可以提高灌封胶的阻燃性能,目前主要以氢氧化铝及氢氧化镁的使用为主。不过当使用单一的氢氧化铝或者氢氧化镁作为阻燃剂时,阻燃效果不如采用阻燃剂复配手段。而且采用复配过的阻燃剂,可以使灌封胶的黏度更低。

  之所以复配使用时阻燃效果更好,可能是因为氢氧化铝的分解温度约为250℃,吸收热量为1965J/g,氢氧化镁的分解温度在300℃以上,它们都具有很好的阻燃性能,其阻燃机理主要是脱水、吸收热量。当温度达到氢氧化铝的分解温度时,首先氢氧化铝会吸收大量的热量起到阻燃的效果,当温度进一步升高,氢氧化镁脱除水分也会起到一定的阻燃效果,因此二者1:1复配使用可降低阻燃填料的用量,这也保证了汽车电机在运行中出现异常情况时胶体不助燃。

  合适的黏度不仅可以增加灌封胶的流动性,提高消泡能力,还能提高灌封胶中填料的抗沉降能力,从而保证产品的稳定性,偶联剂的加入就能有效解决以上问题。据研究,在树脂与填料混合的过程中,在一定范围内树脂的黏度会随着硅烷偶联剂加入量的增加而降低,直到趋于稳定。

  此外,对导热填料进行表面处理也可以提高填料的导热性能,利用其与基胶的相容性,增加填充量,就可以实现灌封胶导热性能大幅度提高。如:采用经硅烷偶联剂KH-550、A-151、六甲基二硅氮烷、二甲基二甲氧基硅烷表面处理的刚玉粉填充RTV 导热硅橡胶,材料的热导率就可从1.16w/(m.K)提高2.10w/(m·K),导热性能提高近一倍

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