淺論新能源動(dòng)力電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠最jia厚度的確定原則
有時(shí)，新能源動(dòng)力電池包會(huì)在水冷板的上面設(shè)置導(dǎo)熱板，則在水冷板與導(dǎo)熱板中間需要使用導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠。
問題，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的最jia厚度是如何確定的？
- 引用數(shù)據(jù)
表1 導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠導(dǎo)熱系數(shù)和密度
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型號(hào)
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XK-D12L
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XK-D20L
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XK-D30L
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導(dǎo)熱系數(shù) ，W/(m.K)
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1.2
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2.0
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3.0
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密度 ，g/cm3
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2.2
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2.49
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2.85
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表2 傳統(tǒng)膠水導(dǎo)熱系數(shù)和密度
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型號(hào)
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隱名A
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隱名B
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隱名C
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導(dǎo)熱系數(shù) ，W/(m.K)
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0.19
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0.21
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0.23
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密度 ，g/cm3
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1.0
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1.05
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1.1
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- 試確定
2.1導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠最jia厚度和最小厚度
2.2 導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠厚度與熱阻增加的關(guān)系
2.3 評(píng)價(jià)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠厚度與老化性能的關(guān)系
3. 失效模式分析（DFEAM）
影響導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠最jia厚度和最小厚度的因素取決于金屬板的粗糙度、翹曲度、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠固化之前的預(yù)緊壓強(qiáng)、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠內(nèi)置粉體的最da粒徑、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的加權(quán)平均粒徑。
- 傳統(tǒng)膠水的厚度與熱阻評(píng)估
我們先看一下傳統(tǒng)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(tǒng)膠水2，接著由機(jī)械手把導(dǎo)熱板1壓合，并施加設(shè)計(jì)好的預(yù)緊壓強(qiáng)P0，使傳統(tǒng)膠水2被壓延至期望的厚度。傳統(tǒng)膠水2的粘度越大、目標(biāo)厚度越薄，則傳統(tǒng)膠水2被壓延至期望厚度所需要壓強(qiáng)就越高，或者相同壓強(qiáng)下所需的壓延時(shí)間就越長(zhǎng)、工藝效率低，用緊固件定位后，在zhiding溫度的環(huán)境中固化粘合成一個(gè)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(jí)的，所以在預(yù)緊壓強(qiáng)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(tài)下，金屬板存在的的機(jī)械回彈應(yīng)力是非常大的，回彈應(yīng)力還包括不同微分元面積區(qū)域的壓應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力的綜合疊加，是一個(gè)非常復(fù)雜的高能量?jī)?nèi)應(yīng)力系統(tǒng)，固化之后粘結(jié)界面上的傳統(tǒng)膠水將永久性承受機(jī)械應(yīng)力的作用，不僅削弱粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)還疊加老化速度加快效應(yīng)。
1）傳統(tǒng)膠水最jia厚度的確定
因此，傳統(tǒng)膠水2的平均最小厚度不應(yīng)該設(shè)計(jì)成6.4微米，而應(yīng)該至少大于12.7微米。在以往的“國尖”項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中，在正常翹曲度時(shí)，優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)過程中的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)施工效率較高。
- 導(dǎo)熱板；
- 傳統(tǒng)膠水；
3—水冷板。
2）傳統(tǒng)膠水熱阻增加值的確定
傳統(tǒng)膠水粘結(jié)層熱阻增加值，按方程（1）計(jì)算，結(jié)果見表3。
 ，m2K/W………………………………………………………………………………………………………..（1）
表3 傳統(tǒng)膠水導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和熱阻增加值
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型號(hào)
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隱名A
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隱名B
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隱名C
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導(dǎo)熱系數(shù) ，W/(m.K)
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0.19
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0.21
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0.23
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推薦最jia厚度 ，mm
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0.16
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0.16
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0.16
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熱阻增加值 ，m2K/W
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0.00084
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0.00076
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0.00070
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- XK-D12L產(chǎn)品的厚度與熱阻評(píng)估
我們?cè)倏碊系產(chǎn)品導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的技術(shù)狀態(tài)。
如圖4所示，與傳統(tǒng)膠水不同的是，D系產(chǎn)品導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠除了基料不同外，還添加了導(dǎo)熱粉體，在其中存在直徑為dmax的最da顆粒和加權(quán)平均粒徑的差異。
1）XK-D12L最jia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(cè)試的一種典型導(dǎo)熱粉體的粒徑分布。從圖5看到，其中粉體的最da粒徑dmax=250微米，也就是0.25mm。這就決定了導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的最小應(yīng)用厚度必須大于0.25 mm，否則金屬板之間會(huì)產(chǎn)生巨大的機(jī)械干涉回彈應(yīng)力，這是必須避免的。
根據(jù)我司配方優(yōu)化《模擬設(shè)計(jì)與模擬測(cè)試》軟件輸出的結(jié)果，導(dǎo)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(jī)械干涉回彈應(yīng)力，則：
XK-D12L最jia膠層厚度應(yīng)為0.17 +dmax= 0.42 mm。
采用相同方法可以確定XK-D20L、XK-D30L的最jia膠層厚度分別為0.48mm、0.55mm，見表4。
2）D系導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠熱阻增加值的確定
D系導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠熱粘結(jié)層熱阻增加值，按方程（1）計(jì)算，結(jié)果見表4。
表4 D系導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和熱阻增加值
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型號(hào)
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隱名A
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隱名B
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隱名C
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導(dǎo)熱系數(shù) ，W/(m.K)
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1.2
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2.0
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3.0
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推薦最jia厚度 ，mm
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0.42
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0.48
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0.55
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熱阻增加值 ，m2K/W
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0.00035
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0.00024
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0.00018
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- 評(píng)價(jià)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠厚度與老化性能的關(guān)系
1982-1985年間，在航tian部部屬“復(fù)合固體推進(jìn)劑老化研究”[1]項(xiàng)目中，已經(jīng)做過深入的定量實(shí)測(cè)研究，結(jié)果表明：當(dāng)厚度或長(zhǎng)度大于直徑時(shí)，直徑的增加有助于減緩材料的物理老化和化學(xué)老化，可延長(zhǎng)服役壽命；當(dāng)直徑大于厚度或長(zhǎng)度時(shí)，厚度或長(zhǎng)度的增加有助于減緩材料的物理老化和化學(xué)老化，也可延長(zhǎng)服役壽命。
這個(gè)結(jié)論是原理性的，同樣適用于對(duì)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的老化判斷，至今未遇到反例。
2019-2020年間，在與中國科學(xué)院高能物理研究所合作的“XK-P20和XK-P40高聚物基絕緣導(dǎo)熱材料--長(zhǎng)期服役可靠性預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究”[2，3]項(xiàng)目中，再一次定量實(shí)測(cè)驗(yàn)證了：當(dāng)直徑大于厚度時(shí)且直徑一定時(shí)，夾心餅干結(jié)構(gòu)試樣厚度的增加，對(duì)于內(nèi)部低分子物的遷移揮發(fā)有抑制作用，即有助于減緩材料的物理老化和化學(xué)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(gè)結(jié)論同樣適用于對(duì)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的老化判斷。
市面有人認(rèn)為，直徑大于厚度且直徑一定時(shí)的夾心餅干結(jié)構(gòu)試樣，當(dāng)厚度增加時(shí)會(huì)加速老化的說法是得不到數(shù)據(jù)支持的。
4. 結(jié)論：
4.1 當(dāng)D系導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)層厚度為0.42～0.55時(shí)，與厚度為0.16 mm的傳統(tǒng)膠水相比，其阻增加值僅有傳統(tǒng)膠水熱阻增加值的(25～42)%，D系導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠明顯優(yōu)于傳統(tǒng)膠水。
4.2 市面有人認(rèn)為，直徑大于厚度且直徑一定時(shí)的夾心餅干結(jié)構(gòu)試樣，當(dāng)厚度增加時(shí)會(huì)加速老化的說法是得不到數(shù)據(jù)支持的。
[1] 肖揚(yáng)華， “叔丁基二茂鐵的遷移揮發(fā)及其對(duì)燃速的影響”，1984年9月在北海艦隊(duì)司令部（大 連）中國宇航學(xué)會(huì)上宣讀，刊登于核心刊物《推進(jìn)技術(shù)》，1985，6 (2)：49-60。
[2] 肖揚(yáng)華 等，“XK-P20和XK-P40高聚物基絕緣導(dǎo)熱材料 長(zhǎng)期服役可靠性預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告”，2020年10月31日，內(nèi)部研究報(bào)告，GLPOLY研發(fā)中心、中國科學(xué)院高能物理研究所。
[3] 肖揚(yáng)華 等，“XK-S20高聚物基絕緣導(dǎo)熱材料 長(zhǎng)期服役可靠性預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告”，2020年05月26日，內(nèi)部研究報(bào)告，GLPOLY研發(fā)中心。
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