劉文雪，卞萬(wàn)康，虞鑫海

(東華大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)系，上海 201620)

0 引 言

電機(jī)是重要的工業(yè)系統(tǒng)執(zhí)行器或驅(qū)動(dòng)部件的基礎(chǔ)元件，隨著其需求量的不斷增大[1-2]、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大以及實(shí)際應(yīng)用中新要求的不斷提出，電機(jī)正不斷向著高速高頻化、高功率密度化、高度集成化及小型輕便化等方向轉(zhuǎn)變[3]。但電機(jī)在電能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換的工作過(guò)程中由于有銅損耗、鐵損耗等原因[4]，設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量[5]，若熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)就會(huì)加速絕緣材料的老化失效，嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性，降低其使用壽命[6]，故必須采取措施防止設(shè)備工作溫度的持續(xù)提高。因此，亟需提高現(xiàn)代電機(jī)中絕緣材料結(jié)構(gòu)的耐熱性和導(dǎo)熱性。

聚合物基復(fù)合材料以其優(yōu)異的電絕緣性能、優(yōu)良的加工性能、突出的力學(xué)性能和較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于信息工程、軍事裝備、航空航天等高端電子電器領(lǐng)域[7]。但因聚合物分子鏈的無(wú)序排列，大多數(shù)聚合物材料是熱的不良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率普遍低于0.5 W/(m·K)。而一般用于高密度集成電子設(shè)備的材料熱導(dǎo)率至少為1 W/(m·K)[8]，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，材料的低熱導(dǎo)率無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重制約設(shè)備的散熱效率，同時(shí)也存在熱導(dǎo)致的故障和絕緣失效等隱患，因此亟需提高聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

目前，要提高聚合物材料熱導(dǎo)率一般有兩種方法：

(1)本征法：合成本征型導(dǎo)熱高分子材料，改變聚合物的分子鏈或分子鏈分布，而制得不同結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱性能的復(fù)合材料，但此法較為復(fù)雜，制備工藝繁瑣、成本昂貴，只能適用于某些聚合物，發(fā)展非常緩慢[9]；

(2)填充法：合成填充型導(dǎo)熱高分子材料，將高導(dǎo)熱填料加入聚合物基體中，而制得導(dǎo)熱復(fù)合材料[10]，通常以具有優(yōu)良綜合性能的高分子聚合物為基體，利用具有高導(dǎo)熱絕緣性能的無(wú)機(jī)非金屬材料作為填料，通過(guò)一定的工藝手段，研發(fā)出綜合性能優(yōu)異的高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料，該方法逐漸成為行業(yè)的共識(shí)[11]。

本文在復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了影響其導(dǎo)熱性能的幾個(gè)相關(guān)因素，對(duì)目前高導(dǎo)熱填充型環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了論述，為制備高性能高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料提供一種新思路。

1 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理

熱量的傳遞方式主要有三種基本途徑：熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，而固體物質(zhì)內(nèi)部的熱傳遞主要是靠熱傳導(dǎo)。在固體材料中，導(dǎo)熱載體通常分為三種：光子、聲子和電子[12]。但大部分高分子材料體系均是飽和狀態(tài)，無(wú)自由電子，而且聚合物分子自身運(yùn)動(dòng)相對(duì)困難，主要以聲子為熱載流子，通過(guò)晶格振動(dòng)來(lái)傳遞熱量。

目前，導(dǎo)熱絕緣材料主要有兩種導(dǎo)熱機(jī)理：導(dǎo)熱滲流理論和被學(xué)者和研究人員廣泛認(rèn)同的導(dǎo)熱通路理論[13]。導(dǎo)熱通路主要思路是因環(huán)氧樹(shù)脂基體本身熱阻很大且導(dǎo)熱效果不好，而填充粒子間熱阻較小，故熱量沿著導(dǎo)熱通路傳遞，基體樹(shù)脂與導(dǎo)熱填充粒子兩者互相接觸搭建出導(dǎo)熱通路[14]，如圖1所示[15]。

圖1 導(dǎo)熱通路理論熱量傳遞示意圖

在導(dǎo)熱性能低的環(huán)氧樹(shù)脂基體中添加高導(dǎo)熱填料是提高環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率的關(guān)鍵，且當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，才能大幅度提高其導(dǎo)熱性能[16]，常用填料的熱導(dǎo)率如表1所示[17]。

表1 常用填料的熱導(dǎo)率

2 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的影響因素及其研究進(jìn)展

環(huán)氧樹(shù)脂(EP)是指分子中含有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)的高分子聚合物。作為三大類通用型熱固性樹(shù)脂之一，環(huán)氧樹(shù)脂因其本身價(jià)格低廉，具有優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕和熱形變性能、突出的電絕緣性和機(jī)械性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為導(dǎo)熱復(fù)合材料最常用的基體之一[18-20]，被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備絕緣(如大型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī))、航空航天、汽車、艦船等領(lǐng)域[21]。但純環(huán)氧樹(shù)脂由于內(nèi)部分子鏈的無(wú)規(guī)則纏繞，不能夠完全自由運(yùn)動(dòng)，致使其結(jié)晶度低，含有較多的非晶部分。再加上分子鏈的振動(dòng)對(duì)聲子的散射作用等因素，致使其自身的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.17～0.23 W/(m·K)[22]，熱性能較差，無(wú)法直接應(yīng)用于高頻化、高功率化的電子設(shè)備領(lǐng)域中。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)填充型高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，主要包括填料種類、形狀尺寸及含量、表面處理等因素對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率及其他性能的影響。

2.1 金屬填料

金屬?gòu)V泛存在于自然界中，熱導(dǎo)率高，少量添加便可大幅度提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，常見(jiàn)的金屬填料有銅、錫、銀、鋁及鎳等。因金屬填料自身優(yōu)勢(shì)，使得其被較早地應(yīng)用于導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究與制備中，也取得了很大的進(jìn)步。

Chen等人[23]以直徑約20 nm的單晶銅納米線作為填料填充到環(huán)氧樹(shù)脂中，在銅納米線的體積分?jǐn)?shù)僅為0.12%較低填充量的情況下，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高了8倍，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.59 W/(m·K)，成功開(kāi)發(fā)了一種新的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。Zhou等人[24]以4種偶聯(lián)劑對(duì)Al粒子進(jìn)行表面改性，并將其填充到環(huán)氧樹(shù)脂中。結(jié)果表明，表面改性過(guò)的Al粒子能夠很大程度上提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。此外，與未經(jīng)表面處理的復(fù)合材料相比(1.03 W/(m·K))，含有經(jīng)KH-550、KH-560、NDZ-201和NDZ-102偶聯(lián)劑處理的Al顆粒的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到1.29 W/(m·K)、1.48 W/(m·K)、1.27 W/(m·K)和1.36 W/(m·K)。

2.2 氧化物填料

氧化物因?yàn)闊釋?dǎo)率大、絕緣性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料的熱絕緣性能改性。氧化物填料主要包括Al2O3、SiO2和ZnO等。而本征導(dǎo)熱系數(shù)并不突出的A12O3，因其具有環(huán)保無(wú)毒、成本低及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，仍是氧化物陶瓷材料中研究和應(yīng)用最多的導(dǎo)熱填料。

Wang等人[25]以微米級(jí)和納米級(jí)的Al2O3作為填料填充環(huán)氧樹(shù)脂，成功地設(shè)計(jì)制備了一種“三明治”結(jié)構(gòu)的新型Al2O3/EP復(fù)合材料。研究表明，當(dāng)外層的微米級(jí)Al2O3質(zhì)量百分比為70%，內(nèi)層納米級(jí)Al2O3質(zhì)量百分比為3%時(shí)，制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率為0.447 W/(m·K)，是純環(huán)氧樹(shù)脂的2.5倍，擊穿強(qiáng)度也有很大的提升。Ren等人[26]為了降低填料與基體界面熱阻，先利用GPTS技術(shù)處理Al2O3表面，再通過(guò)沉積Ag粒子制備復(fù)合材料。結(jié)果表明，在固質(zhì)量百分比為70%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂/球形氧化鋁導(dǎo)熱復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱率增加至1.304 W/(m·K)，相比于純環(huán)氧樹(shù)脂，提高了624%。這方法也為下一代具有潛在應(yīng)用價(jià)值的導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。Hu等人[27]將環(huán)氧樹(shù)脂真空滲透到自制的多孔Al2O3陶瓷骨架中與之復(fù)合，形成具有較高彎曲強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。在體積百分比70%填充條件下，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到13.46 W/(m·K)，填料之間的界面熱阻大幅度降低。

2.3 氮化物填料

在導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料研究領(lǐng)域，氮化物原子間強(qiáng)大的鍵合力能夠有效抑制晶體缺陷的產(chǎn)生，更加完整的晶體結(jié)構(gòu)減少了聲子在物質(zhì)內(nèi)部的散射。氮化物還具有熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)低、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的重視。目前，氮化物導(dǎo)熱填料主要有BN、AlN和Si3N4等。其中BN具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(約200 W/(m·K))，而B(niǎo)N中的“白石墨”六方氮化硼(h-BN)更是備受研究者們的青睞。

Wang等人[28]通過(guò)真空輔助自組裝技術(shù)，用粒徑范圍分別為5～8 μm、15～20 μm、25～30 μm的BN粒子填充環(huán)氧樹(shù)脂，探究不同粒徑BN顆粒對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，小粒徑BN填充粒子更容易散射聲子，抑制其傳輸通道，而大粒徑BN顆粒更容易形成導(dǎo)熱鏈。當(dāng)填充20～30 μm BN時(shí)，BN/EP復(fù)合材料導(dǎo)熱率達(dá)到1.47 W/(m·K)。Chao等人[29]通過(guò)鹽模板法將BN堆疊成空心氮化硼微球(BNMB)，再進(jìn)一步壓縮，將其滲透入環(huán)氧樹(shù)脂中，成功地制備了BNMB/EP復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，當(dāng)BN體積百分比為65.6%時(shí)，此復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)到17.61 W/(m·K)(面內(nèi)方向)和5.08 W/(m·K)(面外方向)。Kiho等人[30]為了提高界面親和力，將經(jīng)過(guò)聚硅氮烷(PSZ)表面改性的BN引入環(huán)氧樹(shù)脂中，探究其對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料的質(zhì)量百分比為70%時(shí)，BN/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3.521 W/(m·K)，相比于未改性的BN/EP復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率增加了1.35倍。Lee等人[31]利用含氫氧基的溶劑輔助球磨法剝離制備了含羥基官能團(tuán)的h-BN納米片(BNNP)，并對(duì)其環(huán)氧納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于BNNP大比表面積引起的界面極化和BNNP表面官能團(tuán)引起的離子和電子弛豫極化，納米復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗隨著B(niǎo)NNP的加入而增加。而B(niǎo)NNP上的羥基官能團(tuán)與環(huán)氧基體的強(qiáng)界面結(jié)合，當(dāng)BNNP填料的質(zhì)量百分比為10%時(shí)，環(huán)氧納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.57 W/(m·K)，是純環(huán)氧樹(shù)脂的2.85倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。

2.4 碳化物填料

碳化物填料兼具高導(dǎo)熱、低密度、耐腐蝕等特點(diǎn)，其種類較多，常見(jiàn)的有碳化硅、石墨、石墨烯、碳纖維和碳納米管等，是一類非常有應(yīng)用價(jià)值的導(dǎo)熱填料。

Yao等人[32]將制備了碳化硅納米線(SiCNWs)作為填料加入環(huán)氧樹(shù)脂基體中，探究不同的分散形式對(duì)導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，SiCNWs可以有效地提高基體的導(dǎo)熱性能。所得復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)34.0 W/(m·K)，比傳統(tǒng)聚合物復(fù)合材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在體積百分比2.17%的填充量下，利用定向冷凍技術(shù)可以將相同填料下的熱導(dǎo)率提高至1.67 W/(m·K)。Zhang等人[33]通過(guò)溶液混合法，將利用一維銀納米線(AgNWs)和二維氧化石墨烯(GO)構(gòu)建的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，制備出環(huán)氧基導(dǎo)熱復(fù)合材料(AgNW/GO/EP)，如圖2所示。通過(guò)各種表征，能夠觀察到，AgNW和GO在提高材料的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，且AgNW/GO填充質(zhì)量百分比為10%時(shí)，AgNW/GO/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)，沖擊強(qiáng)度為28.85 kJ/m2，與AgNW/EP或GO/EP復(fù)合材料相比，性能均有所提高。

圖2 AgNW/GO復(fù)合材料的制備

2.5 新型復(fù)合填料

近年來(lái)，各個(gè)領(lǐng)域?qū)?dǎo)熱復(fù)合材料的需求量日益增加，填充單一填料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其對(duì)復(fù)合材料的特殊要求，而填料復(fù)配使用能夠在一定程度上提高顆粒之間接觸結(jié)點(diǎn)數(shù)目，較大地促進(jìn)了聲子傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成，對(duì)提高高分子材料的導(dǎo)熱性能具有良好的協(xié)同作用。

Chao 等人[34]采用溶膠凝膠法，將二氧化硅絕緣層包覆的銀納米線(AgNWs@SiO2)加入到環(huán)氧樹(shù)脂中，僅填充體積百分比4% AgNWs@SiO2的復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率增加至1.03 W/(m·K)，是純環(huán)氧樹(shù)脂的5倍。同時(shí)具有核殼結(jié)構(gòu)的AgNWs@SiO2納米線也提高了材料的介電性能，在獲得高導(dǎo)熱的同時(shí)，還保持了環(huán)氧樹(shù)脂的電絕緣性能，大大擴(kuò)寬了其在電子封裝中的應(yīng)用。汪蔚等人[35]采用液相還原法制備了BN表面沉積納米Sn粒子雜化材料(BN-Sn NPs)，用作于環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱填料，再經(jīng)攪拌、真空脫泡、固化等工藝后得到BN-Sn/EP導(dǎo)熱復(fù)合材料。如圖3所示，當(dāng)填料體積含量為30%時(shí)，BN-Sn NPs/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)(1.61 W/(m·K))比未改性BN/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)(1.08 W/(m·K))提高了近50%。Chen等人[36]采用真空過(guò)濾法制備了豌豆莢狀二元氧化鋁-石墨烯結(jié)構(gòu)，并用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬以獲得氧化鋁-石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，當(dāng)石墨烯質(zhì)量百分比為12.1%，氧化鋁質(zhì)量百分比為42.4%時(shí)，其軸向?qū)嵯禂?shù)提高到13.3 W/(m·K)，徑向?qū)嵯禂?shù)達(dá)到33.4 W/(m·K)，比純環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)約166倍。對(duì)復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了此三維結(jié)構(gòu)在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部提供了良好的傳熱通路，并且這種三維豌豆莢狀導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)也為大幅度提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提供了新的思路。

圖3 填料體積含量對(duì)BN/EP和BN-Sn NPs/EP復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.6 填料-基體界面

一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)填料比表面積較高，且粒子間的范德華力和庫(kù)侖力使其在基體中容易團(tuán)聚，不能均勻分散[37]。再加上填料很難被基體所潤(rùn)濕，兩者的界面相容性差[38]，使得填料-基體界面處存在空隙及缺陷，產(chǎn)生嚴(yán)重的聲子散射[39]，影響導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)傳遞性，增大了復(fù)合材料體系的界面熱阻，從而降低導(dǎo)熱性能[40]，其表面接觸過(guò)程如圖4所示[41]。因此，急需對(duì)填料表面進(jìn)行處理，以改善兩者之間的界面結(jié)合問(wèn)題。

圖4 復(fù)合材料表面接觸示意圖

大量研究結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)適當(dāng)偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用處理后的填料粒子，其吸附、潤(rùn)濕、分散等相關(guān)的表面性能都會(huì)有所不同，有效地促進(jìn)填料在高分子基體中的分散，減輕在熱傳遞過(guò)程中聲子產(chǎn)生的散射，提高兩者之間的相容性，降低界面熱阻[42]。

趙登云[43]通過(guò)研究硅烷偶聯(lián)劑 KH560、KH570、CG9以及CG12改性后的氧化鋁粉體和未加改性劑的氧化鋁粉體的吸油值和活化指數(shù)發(fā)現(xiàn)，改性后的氧化鋁粉體吸油值和活化指數(shù)較未改性時(shí)的好，其中改性效果最好的是硅烷偶聯(lián)劑CG12。Yu等人[44]成功地將硅烷偶聯(lián)劑(APTES)修飾后的銀納米線(AgNWs)添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，研究發(fā)現(xiàn)，AgNWs在較低填充量下就能形成導(dǎo)熱通路，當(dāng)銀納米線和銀納米粒子(AgNPs)的份數(shù)為50∶300時(shí)，則復(fù)合材料的熱導(dǎo)率值達(dá)到約8 W/(m·K)，這也就意味著對(duì)比于AgNPs，使用AgNWs能夠?qū)⑻畛淞繙p少5倍，同時(shí)使環(huán)氧導(dǎo)熱復(fù)合材料的質(zhì)量降低50%以上。郭樂(lè)等人[45]使用硅烷偶聯(lián)劑(KH792) 對(duì)納米AlN進(jìn)行表面改性，采用酰胺法在H2SO4/HNO3酸化MCNTs表面成功接枝了二乙烯三胺(DETA)。并通過(guò)在環(huán)氧樹(shù)脂基體中復(fù)配不同維度的導(dǎo)熱填料，即“0維”納米氮化鋁和“一維”碳納米管來(lái)構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試證明，此三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的存在，可以有效提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在體積百分比50%的填充量下，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率可提高至2.32 W/(m·K)。Jang等人[46]通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)，將不同碳鏈(C3和C16)的硅烷偶聯(lián)劑引入到BN表面，以提高BN與環(huán)氧樹(shù)脂的親和力，BN表面硅烷改性機(jī)理過(guò)程如圖5所示。結(jié)果表明，經(jīng)表面改性后的復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到3.49 W/(m·K)。

圖5 氮化硼表面硅烷改性機(jī)理示意圖

3 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)革命的高速發(fā)展，滿足電機(jī)大容量需求的同時(shí)，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的熱量也隨之增加。相關(guān)研究表明，高溫是導(dǎo)致電機(jī)工作效率降低、使用壽命縮短、絕緣材料性能下降的重要原因[47-48]，而高導(dǎo)熱絕緣材料的使用可以大幅度地降低電機(jī)溫升[49-50]。

唐衛(wèi)平等人[51]以不飽和聚酯改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體，采用3種硅烷偶聯(lián)劑表面改性后的金剛石、碳化硅和氧化鋁微粉填料復(fù)合制備了一種高導(dǎo)熱絕緣漆，分析3種填料對(duì)絕緣漆的防沉淀性、導(dǎo)熱系數(shù)、擊穿電壓和粘度的影響，并在低壓電機(jī)的整機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：3種改性填料復(fù)合使用制備的高導(dǎo)熱絕緣漆導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.432 W/(m·K)，粘度69 s，電氣強(qiáng)度23.4 MV/m。電機(jī)溫升同比下降7 K，電機(jī)效率提高0.97%。柴全微等人[52]將硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性后的氮化鋁及 KH-570改性后的氧化鋁粉體加入涂料中，通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試、環(huán)境可靠性測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試等方法，得出添加質(zhì)量百分比10% AlN和10% Al2O3為最終導(dǎo)熱填料添加量，導(dǎo)熱系數(shù)平均提高了35.40%。噴涂高導(dǎo)熱涂料后，較噴涂普通涂料的電機(jī)定子繞組溫升下降了6 K，軸承溫升下降了4.5 K。候海波等人[53]對(duì)采用高導(dǎo)熱環(huán)氧少膠云母帶和普通云母帶的絕緣體系溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：相比于普通云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.44 W/(m·K)的高導(dǎo)熱環(huán)氧少膠云母帶的絕緣結(jié)構(gòu)可以使主絕緣內(nèi)最高運(yùn)行溫度降低11 ℃，平均運(yùn)行溫度降低7 ℃，有效降低電機(jī)的內(nèi)部溫升，將電機(jī)線圈主絕緣的壽命提高1倍左右，保證了其運(yùn)行過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性。

高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，可有效提升電機(jī)絕緣系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能[54]，減小電機(jī)的溫升，提高電機(jī)工作過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性，保障其系統(tǒng)安全運(yùn)行[55-57]。因此，研制新型高導(dǎo)熱絕緣材料成為促進(jìn)電機(jī)制造領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)研究尤為重要。

4 展望與總結(jié)

高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，在保證環(huán)氧樹(shù)脂原有優(yōu)點(diǎn)的前提下，具有較高的導(dǎo)熱性能，其綜合的優(yōu)異特性必將促進(jìn)電機(jī)、5G通訊、微電子封裝和航空航天等諸多領(lǐng)域的發(fā)展。近年來(lái)，科研工作者們?cè)谔岣邚?fù)合材料的導(dǎo)熱性能、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍方面取得了重大成就，但目前該領(lǐng)域仍然存在很多不足之處有待進(jìn)一步完善，為此提出一些研究建議，未來(lái)工作可著重于以下研究方向：

(1) 開(kāi)發(fā)新的加工技術(shù)對(duì)填料表面進(jìn)行改性，力求實(shí)現(xiàn)在超低填料填充量下制備高熱導(dǎo)率、高絕緣性的復(fù)合材料；

(2) 尋求新型填料粒子，研發(fā)高導(dǎo)熱填充型復(fù)合材料的新型制造方法，以期獲得熱導(dǎo)率高、綜合性能優(yōu)良的導(dǎo)熱復(fù)合材料；

(3) 對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)聲子作用進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，降低界面層聲子的散射作用，改善填料與樹(shù)脂基體間的界面結(jié)構(gòu)和界面性能，提高填料-基體的界面親和力，在形成豐富導(dǎo)熱通路的同時(shí)能將填料-基體的界面熱阻降至最低；

(4) 設(shè)計(jì)合適的配方和加工工藝，改進(jìn)或研究更加簡(jiǎn)單穩(wěn)定的制備方法，開(kāi)發(fā)更普適的填料合成高導(dǎo)熱填充型環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，為工業(yè)化制備奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。