張驍萌，張東陽，趙矗，姜旭，邵茜

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

0 前言

隨著開關(guān)電器高電壓、大電流、小型化的發(fā)展趨勢，高壓設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的過度發(fā)熱將直接影響到電器設(shè)備工作的安全性和可靠性，這對熱量的快速散發(fā)，提高降溫散熱效率等技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。傳統(tǒng)的散熱方法主要有設(shè)計(jì)冷卻液循環(huán)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)散熱片結(jié)構(gòu)和發(fā)熱連接部位涂敷導(dǎo)電膏。然而設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)不利于設(shè)備小型化，同時(shí)成本提高，安全穩(wěn)定性較差；單純的散熱片散熱能力有限；導(dǎo)電膏的使用只能降低部分接觸電阻發(fā)熱，對正常導(dǎo)體的發(fā)熱沒有作用。散熱涂料散熱技術(shù)是在不改變原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用涂層的物理熱輻射性能將熱量帶走，是一種易行有效、安全可靠的散熱技術(shù)[3]。

散熱涂料是一種通過提高發(fā)熱體表面的熱輻射系數(shù)，以此來增強(qiáng)發(fā)熱體表面熱交換能力的散熱技術(shù)[4-6]。因?yàn)樘窄h(huán)境下熱輻射是唯一能夠散熱的途徑，該技術(shù)早期在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，隨著電子器件向著小型化、高集成度、大功率方向發(fā)展，原有的基于熱傳導(dǎo)、強(qiáng)制對流冷卻的散熱模式，越來越制約了各種結(jié)構(gòu)新穎、潮流化發(fā)展的器件的設(shè)計(jì)。因此，紅外輻射模式已成為眾多電子元器件散熱的重要備選手段，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、大面積顯示屏等電子產(chǎn)品，但是針對于電器設(shè)備的散熱涂料的制備及應(yīng)用研究文獻(xiàn)中鮮有提及[7-9]。

本文制備了一種針對于電器設(shè)備的紅外輻射增強(qiáng)散熱涂料，設(shè)計(jì)出一種對比涂料散熱性能的檢測裝置，通過該裝置檢測了散熱涂料的散熱性能。將此涂料涂覆于體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）管母上，測試涂料在電器設(shè)備上的散熱性能。

1 散熱涂料制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

碳納米管:純度＞90%，北京百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司；氮化硼（BN）：純度：95.5%，粒徑：1μm，天津市海納川科技發(fā)展有限公司；二氧化鈦（TiO2）：純度：99.0%，粒徑：60 nm，北京百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司；環(huán)氧樹脂：國產(chǎn)環(huán)氧樹脂和固化劑；流平劑為透明膠體，德國BYK410；消泡劑為透明液體，德國BYK052；稀釋劑為透明液體，由二甲苯和乙酸丁脂混合組成。

1.2 樣品制備

為達(dá)到紅外輻射增強(qiáng)散熱的功能，要求涂層自身具有較高的紅外輻射率、熱導(dǎo)率以及與基底材料具有較低的界面熱阻，以便于熱量通過基底傳遞給涂層，從而迅速輻射出去?？梢圆捎迷诨w黏結(jié)樹脂中填充高輻射率、高熱導(dǎo)率無機(jī)材料的方式，以獲得同時(shí)具有高輻射率和高熱導(dǎo)率的涂層。

本文所制備的散熱涂料主要由工業(yè)級碳納米管、氮化硼、二氧化鈦、環(huán)氧樹脂、固化劑、流平劑、消泡劑和稀釋劑組成。散熱涂料的制備工藝主要包含分散，研磨和過濾三個部分，具體步驟如下：

1）分散：通過超聲分散機(jī)在30-50 kHz的頻率下將填料和稀釋劑進(jìn)行混合分散大約30分鐘。隨后，對漿料進(jìn)行高速攪拌分散，轉(zhuǎn)速控制在為2000-4000 RPM之間，在分散的過程中緩慢加入環(huán)氧樹脂進(jìn)行混合，直至攪拌均勻。

2）研磨：加入流平劑后對涂料進(jìn)行研磨，研磨罐內(nèi)部氧化鋯磨球的規(guī)格為3 mm，5 mm，10 mm，15 mm，質(zhì)量比為3:1:1:1，大約2個小時(shí)完成散熱涂料漿料的研磨工藝。

3）過濾：用過濾網(wǎng)對研磨完畢的漿料進(jìn)行過濾，去除體系中大粒徑的顆粒。

通過以上分散、研磨和過濾工藝得到了分散性良好的漿料，在其中加入消泡劑攪拌5分鐘，可制備出具有良好表面性能的散熱涂料漿料組分（A組分），將A組分進(jìn)行封裝待用。使用時(shí)，將固化劑（B組分）加入到A組分中，攪拌混合均勻，2h內(nèi)進(jìn)行涂敷作業(yè)。

2 散熱性能研究

2.1 恒功率鋁罐散熱體系

2.1.1 散熱能力測試裝置

為解決散熱涂料散熱能力問題，設(shè)計(jì)了恒功率鋁罐散熱測試體系。整個測試體系回路包括：額定發(fā)熱電阻、可調(diào)變壓電源、鋁罐、溫度計(jì)、磁力攪拌子、磁力攪拌儀、導(dǎo)線、鐵架臺固定裝置，恒功率鋁罐散熱測試裝置圖如圖1所示。測試前需要對鋁罐進(jìn)行空白校正，確保兩個鋁罐的溫度誤差在0.5℃以內(nèi)，方可對其中一個空白鋁罐進(jìn)行涂料涂敷，進(jìn)行散熱性能的對比測試。

圖1 恒功率鋁罐散熱測試裝置圖

2.1.2 散熱性能測試

在連接的兩個空白鋁罐進(jìn)行測試，室溫21.5℃，無風(fēng)，額定電壓，每隔一小分別測試兩個鋁罐的溫度，觀察兩個鋁罐溫度隨時(shí)間變化，穩(wěn)定5h之后，兩個罐體的內(nèi)部油溫在96-99℃之間，二者溫差小于0.5℃，認(rèn)為體系穩(wěn)定，發(fā)熱一致，可涂敷散熱涂料，進(jìn)行散熱性能測試實(shí)驗(yàn)。

對其中一個鋁罐罐體刷涂散熱涂料，在室溫16-18℃下采集數(shù)據(jù)，空白鋁罐及涂料鋁罐溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如表1所示。圖2為其對比曲線，橫坐標(biāo)為同一時(shí)間，不同時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)，僅表示數(shù)據(jù)點(diǎn)?？梢钥闯觯妷悍€(wěn)定5h后，涂敷涂料的鋁罐相比空白的鋁罐油溫平均下降了5℃。

由于涂料中含有碳納米管、TiO2和BN，碳納米管本身具有超高的熱導(dǎo)率，同時(shí)還具有接近理論值的紅外輻射率，添加后其散熱涂層具有優(yōu)異的綜合性能。碳納米管的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)及其自身高紅外輻射率的優(yōu)勢，可通過紅外輻射的方式將熱量快速釋放出去[10-12]。TiO2納米顆粒具有高導(dǎo)熱性能，同時(shí)能有效將熱量轉(zhuǎn)化為紅外輻射[13-14]。BN納米顆粒具有高導(dǎo)熱，協(xié)同熱輻射能力[15-16]。因此，涂覆散熱涂料后，鋁罐內(nèi)部溫度有明顯降低。

表1 涂料/空白穩(wěn)定平衡溫度對比

圖2 熱平衡后的空白鋁罐和涂料鋁罐的溫度曲線

2.1.3 仿真計(jì)算

為驗(yàn)證恒功率鋁罐散熱體系試驗(yàn)結(jié)果，采用ANSYS對鋁罐涂覆散熱涂料前后進(jìn)行溫度分布仿真。熱源加熱功率為20W，外表環(huán)境為20℃空氣自然對流，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為空白鋁罐表面溫度分布，鋁罐內(nèi)部中心區(qū)域溫度最高，上下兩端溫度較低，其外表面平均溫度為64.1℃，圖3（b）為空白鋁罐內(nèi)部溫度分布，此時(shí)鋁罐內(nèi)部中心溫度最高，從中心至外圍溫度逐漸降低，其內(nèi)部硅油平均溫度為97.2℃。由于空氣對流及熱輻射，空白鋁罐表面溫度比內(nèi)部溫度低33.1℃。圖3（c）為涂料鋁罐表面溫度分布云圖，可以看出，涂料鋁罐與空白鋁罐外表面溫度差別較大，涂料鋁罐中間區(qū)域溫度較高而上下兩端溫度較低，涂料鋁罐外表面平均溫度為56.8℃。圖3（d）為涂料鋁罐內(nèi)部溫度分布，其溫度分布于空白鋁罐類似，均為中心區(qū)域溫度高而四周溫度較低，涂料鋁罐內(nèi)部硅油平均溫度為89.6℃。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，涂料鋁罐內(nèi)部硅油溫度比空白鋁罐內(nèi)部硅油溫度降低了7.6℃，與試驗(yàn)結(jié)果相近。由于空氣對流及熱輻射，鋁罐表面溫度與內(nèi)部溫度差別較大，涂料鋁罐表面溫度比空白鋁罐表面溫度降低7.3℃。散熱涂料可以有效降低鋁罐體系溫度，具有良好散熱效果。

圖3 恒功率鋁罐溫度分布

2.2 GIS管母體系

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此散熱涂料具有良好散熱效應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于電器設(shè)備，將散熱涂料涂覆于GIS的母線管上進(jìn)行測試。工作電流不低于5 000 A。本次測試的是某公司的220 kV電壓等級的GIS單項(xiàng)母線管。

采用刷涂的工藝對鋁管進(jìn)行散熱涂料的涂敷，對母線管一半進(jìn)行散熱涂料的涂敷，一半進(jìn)行空白對比，以串聯(lián)的方式確保電流一致。在GIS母線管表面連接溫度傳感器以測試其表面溫度，對比測試點(diǎn)選取干擾因素少的測試點(diǎn)，空白母線選取4,5,7三個測試點(diǎn)，涂料母線選取對應(yīng)的11,12,14三個測試點(diǎn)。測試數(shù)據(jù)為設(shè)備的溫升數(shù)據(jù)，室溫在25℃左右。在封閉的一般車間內(nèi)進(jìn)行。

表2為5 000 A電流母線的溫升測試數(shù)據(jù)，表3為5 500 A電流母線的溫升測試數(shù)據(jù)。涂覆涂料后的涂料測試點(diǎn)較未涂覆涂料的空白測試點(diǎn)溫度均有不同程度的降低?？梢缘贸?，散熱涂料在SF6氣體環(huán)境下的密封母線管內(nèi)的散熱效果明顯。當(dāng)工作電流為5 000 A時(shí)，母線升溫約為40℃左右，在室溫為25℃的條件下，散熱涂料可使GIS母線管在65℃左右的基礎(chǔ)溫度下降溫3.7℃；當(dāng)工作電流為5 500 A時(shí)，母線升溫約為50℃左右，在室溫為25℃的條件下，散熱涂料可使GIS母線管在75℃左右的基礎(chǔ)溫度下降溫4.7℃。

表2 5000A電流母線的溫升

表3 5500A電流母線的溫升

3 結(jié)束語

采用在環(huán)氧樹脂基體中填充具有高輻射率、高熱導(dǎo)率的無機(jī)材料的方式，將碳納米管、氮化硼、二氧化鈦、環(huán)氧樹脂、固化劑、流平劑、消泡劑和稀釋劑通過分散、研磨和過濾工藝，制備出高性能的紅外輻射增強(qiáng)散熱涂料。對制備出的散熱涂料進(jìn)行散熱性能測試，得到如下結(jié)論：

1）該散熱涂料對自主設(shè)計(jì)的恒功率鋁罐散熱體系具有良好的降溫效果，涂覆了涂料的涂料鋁罐溫度比未涂覆涂料的空白鋁罐溫度降低平均下降了5℃。通過ANSYS對恒功率鋁罐散熱體系進(jìn)行溫度仿真，空白鋁罐和涂料鋁罐內(nèi)部溫度分布相近，均為中心溫度高四周溫度低，通過計(jì)算得知，涂料鋁罐比空白鋁罐內(nèi)部溫度低7.6℃，與試驗(yàn)結(jié)論相近；

2）采用刷涂工藝對GIS母線管進(jìn)行散熱涂料的涂敷，散熱涂料可使GIS母線管在65℃左右的基礎(chǔ)溫度下降溫3.7℃，在75℃左右的基礎(chǔ)溫度下降溫4.7℃，證明此散熱涂料可以有效降低電器設(shè)備的溫升，為此散熱涂料廣泛應(yīng)用于電器設(shè)備奠定了良好基礎(chǔ)。