母排散热涂层的制备及性能研究

母排散热涂层的制备及性能研究
孟晓明1，陈胜男1，杜挺2，王利民1，吴昊1，陈思敏1 ( 1． 武汉南瑞电力工程技术装备有限公司，武汉430415; 2． 国网金华供电公司，浙江金华321017)

随着国民经济快速发展和城镇化建设加快推进，社会用电负荷快速增长，输电母线上的电能密度不断提高，一些开关柜设备的母排温升有接近允许温升和超过温升极限的趋势，这不仅影响设备的安全运行，还对设备绝缘性能和使用寿命造成不利影响。
作为承载电流的母排，其材质为铜材或铝材，都具有较高的热导率，但是其表面红外辐射系数很低，在没有对流传热的条件下，汇集在母排上的热量很难传递到周围的空气中。通过涂层技术改善金属基材的红外辐射率是提高金属材料散热效率的有效途径。陶瓷材料由于具有良好的高温稳定性及优异的红外辐射性能而成为热辐射涂层的首选材料，目前研究的高红外辐射率陶瓷有堇青石体系、尖晶石体系、钙钛矿体系等，主要是通过元素掺杂或者多种材料复合化来调节材料的晶体结构和能带状态，增加载流子的浓度及晶格振动吸收，提高材料红外辐射率。采用热喷涂工艺制备的红外辐射陶瓷涂层已成功应用于工业窑炉节能降耗、航天飞行器表面散热领域，此外，研究发现将热辐射填料和树脂混合制备的红外辐射涂料喷涂在LED 基板表面，可增强LED 辐射散热能力，提高LED 发光率，延长其使用寿命。
电气设备正朝着小型化，集约化和免维护方向发展，母排温升与散热问题日益凸显，开发母排用散热涂层对提升设备的可靠性具有重要意义，而目前关于母排散热涂层的研究和报道还比较少见。本文采用镍铬尖晶石和碳纳米管作为填料制备散热涂层，研究涂层对母排散热性能的影响，为今后散热涂层在母排上的工程应用奠定基础。

1 试验部分
1. 1 试验材料与设备
CNTs: 管径40 ～ 60 nm，中国科学院成都有机化学有限公司; 微米Cr2O3、NiO: 粒径5～20 μm，长兴化工原料有限公司; 环氧改性有机硅树脂: 环氧值0. 02～0. 08，道康宁公司; 固化剂: 聚酰胺( 651) ，无锡化工公司; 其他试剂均为化学纯，市售。试验采用的铝母排尺寸为6 mm× 60 mm× 3 000 mm，铜母排尺寸为8 mm×60 mm×3 000 mm。
QM－ 3SP4 行星式球磨机: 南京大学仪器厂;WD46－TT 无气喷涂设备: 上海作大涂装设备有限公司; SX2－12－10 型箱式加热炉: 上海一恒科学仪器有限公司; EC770 涂层测厚仪: 宇问传感系统有限公司;S－4800 场发射扫描电镜: 日本日立公司; TC－7000H型激光热常数仪: 日本真空理工株式会社; Tensor27傅立叶红外光谱仪: 德国布鲁克公司; DDG － 50 /5000A 大电流发生器: 武汉三新电力设备公司。
1. 2 样品的制备
1. 2. 1 红外辐射散热涂料的制备
将导热填料、辐射散热填料以及分散剂加入到环氧改性有机硅树脂中，并置于球磨罐内，球料比为10 ∶1，球磨转速500 r /min，球磨2 h 后取料，调节黏度，待用。
1. 2. 2 浇注体制备
将固化剂加入到制备好的涂料中，混合均匀，脱泡后缓慢浇注于热导率试样( Φ10 mm×2 mm) 模具内，完全固化后，开模待测试。
1. 2. 3 红外辐射散热涂层的制备
将上述制备的涂料采用无气喷枪喷涂在母排上，控制喷涂趟数使涂层达到试验厚度。涂层固化温度为100 ℃，保温45 min 即得到完全固化的涂层。
1. 3 涂层表征与性能测试
采用扫描电镜观察填料以及红外辐射散热涂层断面形貌; 采用Tensor27 测试涂层红外辐射系数; 按照标准ASTM D5470 测试涂层热导率; 按照GB /T5210—2006 拉开法测试涂层在母排上的附着力; 将喷好散热涂层的母排表面等距离贴上4 支欧米茄热电偶，然后将母排接入大电流发生器中，对母排施加大电流，采用温度巡检仪记录母排平均温升。

2 结果与讨论
2. 1 涂料配方设计
散热涂层基本要求是涂层具有良好的耐高温性能和附着力，低热阻以及较高的热发射率，本文针对这些性能要求，开展树脂与填料的选型。
2. 1. 1 树脂基体的选型
辐射散热涂料树脂基体首先考虑的是涂层的耐高温性能。因为同时考虑到树脂的低黏度、良好的喷涂性能及较好的综合机械性能，实际可供选择的树脂基体并不多。如丙烯酸树脂具有优异的耐候性及硬度，但在柔韧性、耐冲击性及耐磨性方面较差; 环氧树脂综合性能好但不耐高温; 有机硅树脂耐高温但其固化温度高，且固化时间长，涂层制备过程能耗高。环氧改性有机硅树脂由环氧树脂和活性基团的有机硅低聚物经化学改性而成，兼具环氧树脂优良的综合性能和有机硅树脂的耐高温性能，因而在本研究中选用环氧改性有机硅树脂作为辐射散热涂料的树脂基体。
2. 1. 2 填料的选型
为了提升涂层的散热功能，研究中选用具有较高发射率和热导率的粉体材料作为涂料填料。其中高发射率填料一般由MnO2、NiO、CuO、Cr2O3等过渡金属氧化物为原料经高温固相反应形成具有尖晶石结构的红外辐射粉料。研究中将NiO 与Cr2O3粉体按75 ∶152 的质量配比混合后在压力机上压制成型后置于马弗炉中，在1 150 ℃下烧结2 h，然后经气流粉碎得到红外辐射粉体，其XＲD 物相检测图谱如图1所示，具有尖晶石结构相的NiCr2O4衍射峰较强且尖锐，说明经焙烧后生成的镍铬尖晶石相晶化较好。在散热涂层中添加导热填料能有助于热量从内层向表面传递，常用的导热填料有AlN、碳系、BN 等，AlN 虽然具有较高的热导率，但其易吸潮水解。碳纳米管不仅具有较高的热导率( ～2 000 W/m·K) ，并且长径比极大，非常有利于构建导热通道。本研究中选用CNTs 为导热填料，其微观形貌如图2 所示。填料的比例由实验确定。


2. 2 涂层性能研究
2. 2. 1 涂层的红外发射率
金属材料的发射率普遍偏低，根据母排工况温度区间，测得不同温度下铝排和铜排在红外波段范围内( 1～25 μm) 的全法向发射率见表1。

从表1 可知，随着温度的上升，铝排和铜排的发射率基本保持不变，异于文献报道的金属发射率随着温度的上升而提高，主要原因是测试温度变化区间不大，金属表面没有进一步氧化。在不添加导热填料的情况下，尖晶石相辐射散热填料的含量对涂层在不同温度下的全法向发射率影响如图3 所示。

从图3 可知，在室温下，纯环氧改性有机硅树脂的涂层发射率为0. 75，随着辐射填料的掺入，涂层的发射率呈现出先升高后趋于稳定的状态，当镍铬尖晶石相的添加量为16%时，涂层的发射率基本已稳定，达到0. 93，此时较纯树脂涂层热辐射性能提升24%，较裸排热辐射性能提升约650%。随着温度的升高，涂层的发射率略有下降，且这种下降趋势随着填料含量的增加而减小，当涂层温度为80 ℃，镍铬尖晶石相含量为16%时，涂层的发射率为0. 92。
2. 2. 2 涂层的热导率
在确定辐射散热填料含量为16% 的基础上，CNTs 含量对涂层热导率的影响如图4 所示。

从图4 可以看出，随着CNTs 含量的增加，涂层的热导率先缓慢提升，当CNTs 含量达到3%后，涂层的热导率提升速度加快，当CNTs 含量大于4. 5%时，涂层热导率的提升趋势有所减缓。这主要是由于CNTs 长径比大，当其含量达到一定阈值时，涂层内的CNTs 构成了联通的导热网络，此时涂层热导率呈现出显著增大的趋势。当CNTs 的含量为4%时，涂层的热导率达到1. 96 W/mK，此时的涂层截面微观形貌如图5 所示，进一步增大CNTs 含量，涂层热导率虽然有进一步上升的空间，但由于CNTs 吸油值高，涂料的黏度急剧加大，不利于喷涂施工，故最终采用16%镍铬尖晶石填料加4%的CNTs 填料来制备散热涂料，此配方涂层在25 ℃、50 ℃、80 ℃下测得的发射率为0. 92～0. 93。

2. 2. 3 涂层的附着力
在排材基体上制备厚度为( 100±10) μm 的散热涂层，分别取5 个试样测试涂层的附着力。在铝排上的平均附着力为6. 28 MPa，在铜排上的平均附着力达6. 98 MPa。涂层在排材基体上的拉脱形式表现为涂层与基体间拉脱，说明涂层的附着力小于涂层的内聚力。
2. 2. 4 涂层对母排散热性能的影响
在铝母排和铜母排上分别喷涂不同的涂层并分别进行大电流温升测试，测试环境相对封闭，根据母排的最大允许载流量，对铝排施加电流为680 A，铜排施加电流为1 020 A，电流加载时间为4 h，测得的温升曲线如图6 所示。图中1 号试样为裸母排，2 号试样喷涂散热涂料( 16% NiCr2O4+4% CNTs) ，3 号试样喷涂仅添加导热填料的涂料( 4% CNTs) ，4 号试样喷涂仅添加辐射散热填料的涂料( 16% NiCr2O4) ，5 号试样喷涂纯环氧改性有机硅树脂。

从图6 可以看出，母排表面喷涂涂层以后在较短的时间内温升就达到平衡，且其温升较裸排都显著降低。环氧改性有机硅树脂涂层之所以也具有散热效果是由于室温空气的热导率仅为0. 026 W/mK，母排表面与静态空气间的热传递主要是依靠热辐射，而树脂涂层发射率为0. 75，较金属母排( 发射率＜0. 15) 有较高的提升，所以纯树脂涂层也增强了母排表面热辐射能力。在环氧改性有机硅树脂中添加导热填料和红外辐射填料以后，其发射率和热导率都得到提升，散热通道更加通畅，故其降温效果更显著。当母排温升达到平衡时，喷涂散热涂料的铝排较裸排温升降低30. 3 K，较喷涂环氧改性有机硅树脂的铝排温升降低6. 3 K。喷涂散热涂料的铜排较裸排温升降低22. 5K，较喷涂环氧改性有机硅树脂的铜排温升降低5. 8K。此外研究中的导热填料对促进涂层散热作用较辐射散热填料更为明显，这是由于涂层本身较金属母排具有较高的发射率，而涂层较低的热导率是其热量向周围环境传递的瓶颈。
2. 2. 5 涂层厚度对母排散热性能的影响
散热涂层较纯树脂热导率有较高的提升，但是仍远小于金属母排的热导率，若涂层的厚度增大到一定程度时则可能会起到热障作用，反而不利于基材的散热。本文针对涂层厚度对母排散热性能的影响也进行了研究，结果如图7 所示。

从图7 可以看出，涂层厚度在200 μm 范围内时，涂层厚度变化对涂层散热效果基本没有影响，这与刑刚等人的算例分析结果相吻合，这主要是由于一方面涂层的热导率高于空气的热导率，在空气流通相对静止的环境中，涂层厚度变化对金属基材向空气传导热量的影响较小; 另外一方面涂层厚度还没有达到阻碍基材散热的某一临界值。

3 结语
( 1) 环氧改性有机硅树脂涂层的发射率和热导率分别随着辐射填料和导热填料的加入而提升; 随温度的上升涂层发射率略有下降，且填料含量的增加会减弱这种下降趋势; 当镍铬尖晶石的添加量为16%，CNTs 的添加量为4%时，在母排工作温度区间内，涂层发射率为0. 92 ～ 0. 93， 热导率达到1. 96 W/( m·K) ，附着力为5～8 MPa。
( 2) 在母排表面喷涂纯环氧改性有机硅树脂涂层即能起到较大的散热效果，喷涂散热涂层后母排的散热性能得到进一步提升。当电流温升稳定时，喷涂散热涂层后的铝排温升较裸排降低30. 3 K，较喷涂纯环氧改性有机硅树脂涂层的铝排降低6. 3 K; 涂覆散热涂层后的铜排温升较裸排降低22. 5 K，较喷涂纯树脂涂层的铜排降低5. 8 K。
( 3) 相较于提升环氧改性有机硅树脂涂层的发射率而言，提高涂层的热导率更能强化涂层的散热性能。散热涂层厚度小于200 μm 时，其厚度对散热效果没有影响。