全封闭环氧树脂/无机填料复合材料铸造母线的电学和热性能研究及温度场计算外文翻译资料

 2022-06-28 11:06

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全封闭环氧树脂/无机填料复合材料铸造母线的电学和热性能研究及温度场计算

关键字: 全封闭式环氧树脂浇注母线介电性能、导热性、热膨胀系数、温度场。

摘要: 本文主要研究环氧树脂/无机填料复合材料。在室温下对复合材料的电学和热性能进行了测试和分析，研究了温度对热导率和热膨胀系数的影响。根据复合材料的电学和热性能, 建立了全封闭环氧树脂浇注母线 (FEERCB) 的仿真模型, 计算了 FEERCB 的温度场分布。研究结果表明, 在室温下环氧树脂/无机填料复合材料的体积电阻率、介电常数、介损系数和击穿强度分别为1.74times;1014Ω·cm、3.44、3.75 和 22.31 kV/mm。复合材料的热导率和热膨胀系数为2.55 W/m·K 和 21.73times;10-6/℃, 达到了FEERCB 的绝缘要求。在试验温度范围内, 随着温度的升高, 导热系数逐渐减小, 而热膨胀率逐渐增大。仿真结果表明, 该方法在散热和电流承载能力方面具有显著的性能。

介绍

环氧树脂由于其优异的电学性能、机械强度和加工性, 在电子工业领域得到了广泛的应用。用于电绝缘的环氧树脂通常用无机填料增强, 以改善热、电和机械性能[1]。与传统的母线相比, FEERCB 在空间节能、导热性能、力学性能和介电性能等方面有着巨大的优势。此外, 它具有优异的耐湿性和阻燃性能。

本文在室温下对复合材料的电学和热性能进行了测试和分析。研究了温度对热导率和热膨胀系数的影响。根据复合材料的电学和热性能，建立了 FEERCB 的仿真模型, 计算了全封闭铸造母线的温度场分布。

实验

A. 材料

环氧树脂/无机填料复合材料由环氧树脂、硫化剂和火山岩矿物填料组成， 质量分数为80%。火山矿物填料具有从微米到毫米的广泛粒径分布。所有3种材料在室温下（24℃）混合和脱气后, 将混合物注入3种不同规格的标准模具中, 并获得了3种不同规格的标准复合材料样品。一定的固化时间后，方形样本大小为 100mmtimes;100mmtimes; 2.5mm、10mmtimes;10mmtimes;2.5mm 和圆柱形样本大小为Ф6mmtimes;20mm。

B. 性能的测量

100mmtimes;100mmtimes;2.5mm 方形样品用于电气性能测试。在室温（24℃）下使用静电计 (吉时利 6517B) 测量 1 kV 直流电压下的体积电阻率。在室温下使用拜耳桥 (Tettex 2821) 测量了 2 kV 工频电压下的介电常数和介损系数。在室温下使用25mm 球形电极测量了500V/s电压上升速率下的击穿强度.

Ф6mmtimes;20mm 圆柱形试样用于热膨胀系数试验。使用热膨胀 (Linseis L75VS1400C)在3° C/min的温度升高率下测量样品。10mmtimes;10mmtimes;2.5mm 方形试样用于导热系数试验。使用NETZSCH LFA447从25℃ 到 150°c 的温度测量样品。

C. 模型

基于该复合材料的电学和热性能，采用软件ANSYS 14.0 建立了 FEERCB 的仿真模型。建立了磁场模型计算涡流损耗 [2]。建立了温度场模型，计算了温度场分布。FEERCB 的几何模型如图3所示。公共汽车酒吧里有三块铜棒，铜棒的大小是100mmtimes;10mm 的。母线额定电流为2000A，将 FEERCB 的磁场模型分为三层：铜棒层、复合材料层和空气层、SOLID237 元素类型。将温度场模型分为两层: 铜棒层和复合层、SOLID87 的元素类型。用表面效应元 SURF152 覆盖模型的表面，计算了 FEERCB 的自然对流、元素 SHELL131 和超级元素 MATRIX50，用于计算 FEERCB 的热辐射。

结果和讨论

1. 电气性能

表1、表2和表3分别测试了样品的体积电阻率、介电常数、介损系数和击穿强度。可见，在室温下环氧树脂/无机填料复合材料的平均体积电阻率、介电常数、介损系数和击穿强度均 1.74times;1012Omega;.m，3.44，3.75times;10-2 和22.31 KV/mm。由于试样的颗粒尺寸分布大，表面平滑度低，电性能有较大的波动范围。该复合材料的所有电气性能均可满足 FEERCB 的绝缘要求。

表1体积电阻率测试结果

样品

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

平均值

体积电阻率

1.75

1.51

1.25

2.17

2.52

2.32

1.32

2.22

1.16

1.18

1.74

（10^12Omega;*m）

表2介质常量 (εr) 和介质损耗因子 (tandelta;)的测试结果

样品

1#

2 #

3 #

4 #

5 #

6 #

7 #

8 #

9 #

10#

平均

电容器 [pF]

3.69

3.92

3.70

3.36

3.64

4.94

4.43

5.27

5.23

6.33

4.45

ε r

3.06

3.90

3.92

3.77

3.94

2.75

3.49

2.94

3.06

2.41

3.44

tandelta; [times;10-2 ]

4.02

3.37

3.72

3.84

3.62

2.81

3.48

4.08

4.61

3.90

3.75

表3击穿强度试验结果

故障点

1 #

2 #

3 #

4 #

5 #

6 #

7 #

8 #

9 #

10

平均

击穿强度 19.66 19.09 23.56 22.48 23.85 23.76 22.12 22.79 21.61 24.17 22.31

(KV/mm)

2. 热性能

图1和图2显示了温度的热膨胀系数和热导率的变化。从图1可以看出，复合材料的热膨胀系数随着温度的升高而逐渐增大，然后趋于恒定的。在25℃时复合材料的热膨胀系数为 21.73times;10 -6 /°C。在环氧树脂的铸造过程中, 大的热膨胀系数会导致高热应力导致环氧树脂开裂。铜的热膨胀系数约为 17.00times;10-6 /°C, 因此复合材料的热膨胀系数接近铜。该复合材料具有抗开裂的优势。

从图2可以看出, 复合材料的导热系数随温度的升高而降低。热导率的减退是由于环氧树脂的玻璃过渡的开始[3]。在25℃含火山岩矿物填料的环氧树脂的平均导热系数为2.547W/mbull;K, 大于普通环氧树脂/无机填料复合材料, 这些复合材料的导热系数低于1W/m·K [4]。研究表明, 随着填料体积含量的增加 [5], 导热系数增大, 颗粒粒径分布更大, 提高了复合材料的导热性能 [6]。火山岩矿物填料质量分数在80% 以上, 这意味着复合材料以火山岩矿物为基体, 环氧树脂成为粘结剂。火山矿物填料主要含有高导热材料 Al2O3,SiO2, Fe2O3, MgO和CaO。大颗粒粒径分布改善了颗粒排列, 增大了堆积密度。这些特性导致填料与环氧树脂之间的界面减少, 减小了声子边界上的散射。

图1试样热膨胀系数的温度依赖性 图2试样导热系数的温度依赖性

3．仿真结果

磁模拟结果表明, 每条铜棒的总损耗为90.7 Wbull;m -1 。涡流损失约为总损失的13%。图4显示了 FEERCB 的温度分布。结果表明，温度是对称分布的。从图4可以看出, 中心铜条具有最高温度52.16℃。其他两个铜条的温度为50.60℃。最低气温为42.83℃。

温度场模拟的环境温度为 23℃。铜棒的温度升高约为 30℃。而完全封闭的母线表面的温度上升约为 20℃。最高温度 52.16℃，符合 IEC60439-2:2005 标准。FEERCB 在散热方面具有显著的性能。

图 3 FEERCB 的几何模型 图4温度场分布 FEERCB

结论

1) 环氧树脂/无机填料复合材料具有优良的电学性能。平均体积电阻率、介电常数、介电损耗因子和复合材料的击穿强度1.74times;1012Ω·米,3.44,3.75times;10 - 2和22.31 kV /毫米。在25℃时该复合材料的热膨胀系数为 21.73times;10-6/℃,接近铜的热膨胀系数。在25℃时该复合材料的导热系数为2.547 瓦/m·K ，该复合材料具有抗开裂和导热性的优点。

2) 通过模拟计算 FEERCB 的温度场分布。FEERCB 的温度升高小于 30°C。FEERCB 在散热方面有显著的性能，能够可靠地运行很长时间。

确认

这项研究得到了中国国家自然科学基金（NO.51272208）的资助。

引用

  1. C.S. Chiu, J.M. Lin, Y.K. Chen and S.H. Wu, et al: Electronics Packaging Technology, 2003 5th Conference (EPTC). (2003), p.425.
  2. S.L. Ho, Y. Li, X. Lin, H.C.C. Wong and K.W. E. Cheng: IEEE Transactions on Magnetics. Vol.42 (2006), p.987.
  3. P. Bujard: InterSociety Conference on Thermal Phenomena in the Fabrication and Operation of Electronic Components. (1988), p.44-45.
  4. R. Kochetov, T. An

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