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淺論新能源動力電池包導熱結構膠最佳厚度的確定原則

點擊：4841 日期：2021-01-29 選擇字號：小中大

有時，新能源動力電池包會在水冷板的上面設置導熱板，則在水冷板與導熱板中間需要使用導熱結構膠。

問題，導熱結構膠的最佳厚度是如何確定的？

1、引用數據

  2、試確定
  2.1導熱結構膠最佳厚度和最小厚度
  2.2導熱結構膠厚度與熱阻增加的關系
  2.3評價導熱結構膠厚度與老化性能的關系
  3.失效模式分析（DFMEA）
  影響導熱結構膠最佳厚度和最小厚度的因素取決于金屬板的粗糙度、翹曲度、導熱結構膠固化之前的預緊壓強、導熱結構膠內置粉體的最大粒徑、導熱結構膠的加權平均粒徑。
A)傳統膠水的厚度與熱阻評估
  我們先看一下傳統膠水的粘接過程。
  如圖1至圖3所示，先在水冷板3上滴加傳統膠水2，接著由機械手把導熱板1壓合，并施加設計好的預緊壓強P0，使傳統膠水2被壓延至期望的厚度。傳統膠水2的粘度越大、目標厚度越薄，則傳統膠水2被壓延至期望厚度所需要壓強就越高，或者相同壓強下所需的壓延時間就越長、工藝效率低，用緊固件定位后，在指定溫度的環境中固化粘合成一個整體。
  由于金屬板的粗糙度一般在6.4微米左右，其翹曲度或翹曲量接近毫米級的，所以在預緊壓強P0 接近∞之前，兩塊板之間的間隙大概率在1.2～12.7微米之間，其平均最小間隙大概率為6.4微米左右。在此間隙狀態下，金屬板存在的機械回彈應力是非常大的，回彈應力還包括不同微分元面積區域的壓應力、拉伸應力和剪切應力的綜合疊加，是一個非常復雜的高能量內應力系統，固化之后粘結界面上的傳統膠水將永久性承受機械應力的作用，不僅削弱粘結強度，同時還疊加老化速度加快效應。
  1）傳統膠水最佳厚度的確定
  因此，傳統膠水2的平均最小厚度不應該設計成6.4微米，而應該至少大于12.7微米。在以往的“國尖”項目設計經驗中，在正常翹曲度時，優化的設計厚度可取平均粗糙度的25倍。例如鋁合金板粗糙度為6.4微米則膠層厚度為其25倍是0.16mm、鋼梁平均粗糙度為0.10 mm則膠層厚度為其25倍是2.5mm，可以削減、吸收和緩沖動態過程中的機械應力，同時施工效率較高。

  B)XK-D12L產品的厚度與熱阻評估
  我們再看D系產品導熱結構膠的技術狀態。
  如圖4所示，與傳統膠水不同的是，D系產品導熱結構膠除了基料不同外，還添加了導熱粉體，在其中存在直徑為dmax的最大顆粒和加權平均粒徑的差異。
  1）XK-D12L最佳膠層厚度的確定
  如圖5所示，該圖是我們采用激光粒度儀測試的一種典型導熱粉體的粒徑分布。從圖5看到，其中粉體的最大粒徑dmax=250微米，也就是0.25mm。這就決定了導熱結構膠的最小應用厚度必須大于0.25 mm，否則金屬板之間會產生巨大的機械干涉回彈應力，這是必須避免的。
  根據我司配方優化《模擬設計與模擬測試》軟件輸出的結果，導熱粉體顆粒之間的表面平均距離為6.6微米，取其25倍則為0.17mm。
  所以，為了避免機械干涉回彈應力，則：
  XK-D12L最佳膠層厚度應為0.17 +dmax= 0.42 mm。
  采用相同方法可以確定XK-D20L、XK-D30L的最佳膠層厚度分別為0.48mm、0.55mm，見表4。
  2）D系導熱結構膠熱阻增加值的確定

  評價導熱結構膠厚度與老化性能的關系
  1982-1985年間，在航天部部屬“復合固體推進劑老化研究”[1]項目中，已經做過深入的定量實測研究，結果表明：當厚度或長度大于直徑時，直徑的增加有助于減緩材料的物理老化和化學老化，可延長服役壽命；當直徑大于厚度或長度時，厚度或長度的增加有助于減緩材料的物理老化和化學老化，也可延長服役壽命。
  這個結論是原理性的，同樣適用于對導熱結構膠的老化判斷，至今未遇到反例。
  2019-2020年間，在與中國科學院高能物理研究所合作的“XK-P20和XK-P40高聚物基絕緣導熱材料--長期服役可靠性預測實驗研究”[2，3]項目中，再一次定量實測驗證了：當直徑大于厚度時且直徑一定時，夾心餅干結構試樣厚度的增加，對于內部低分子物的遷移揮發有抑制作用，即有助于減緩材料的物理老化和化學老化；外界遷移、滲入的低分子物總量，雖然與試樣厚度成正比，但是濃度的變化速度不隨厚度而變化。
  這個結論同樣適用于對導熱結構膠的老化判斷。
  市面有人認為，直徑大于厚度且直徑一定時的夾心餅干結構試樣，當厚度增加時會加速老化的說法是得不到數據支持的。
  4.結論：
  4.1當D系導熱結構膠的粘結層厚度為0.42～0.55時，與厚度為0.16 mm的傳統膠水相比，其阻增加值僅有傳統膠水熱阻增加值的(25～42)%，D系導熱結構膠明顯優于傳統膠水。
  4.2市面有人認為，直徑大于厚度且直徑一定時的夾心餅干結構試樣，當厚度增加時會加速老化的說法是得不到數據支持的。
  [1]肖揚華“叔丁基二茂鐵的遷移揮發及其對燃速的影響”，1984年9月在北海艦隊司令部（大連）中國宇航學會上宣讀，刊登于核心刊物《推進技術》，1985，6 (2)：49-60。
  [2]肖揚華等，“XK-P20和XK-P40高聚物基絕緣導熱材料長期服役可靠性預測實驗研究報告”，2020年10月31日，內部研究報告，GLPOLY研發中心、中國科學院高能物理研究所。
  [3]肖揚華等，“XK-S20高聚物基絕緣導熱材料長期服役可靠性預測實驗研究報告”，2020年05月26日，內部研究報告，GLPOLY研發中心。

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