魏雄強，劉全勝，曹元

（1.華域汽車電動系統(tǒng)有限公司，上海 201323；2.亞絕材料科技（上海）有限公司，上海 201201；3.浙江榮泰科技企業(yè)有限公司，浙江 嘉興 314004）

0 引言

近年來，新能源汽車行業(yè)迎來快速發(fā)展，根據(jù)《節(jié)能與新能汽車技術(shù)路線圖2.0》的規(guī)劃，到2035年，節(jié)能汽車與新能源汽車年銷量各占50%，汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型[1]。新能源汽車的快速發(fā)展給驅(qū)動電機帶來了巨大的發(fā)展機遇，電機技術(shù)的發(fā)展成為行業(yè)關(guān)注的熱點[2]。

新能源驅(qū)動電機不斷地朝著高速高效、高功率密度、輕量小型化、高可靠性方向發(fā)展。性能優(yōu)異的絕緣材料是提升電動汽車驅(qū)動電機可靠性和高功率密度的重要基礎(chǔ)[3]。新能源驅(qū)動電機按照不同的冷卻方式，可以分為水冷驅(qū)動電機和油冷驅(qū)動電機等[4]。與傳統(tǒng)工業(yè)電機相比，新能源驅(qū)動電機的運行工況更加復雜，電機運行時的溫升也不斷提高,同時還要承受高溫、高低溫沖擊、機械振動、氧化等復雜環(huán)境應(yīng)力的影響，各種環(huán)境因素同時起作用，對絕緣材料提出了更高的要求[5-6]。

由于新能源汽車的特殊性，現(xiàn)有針對絕緣材料的評價方法并不完全適用。目前新能源汽車行業(yè)對絕緣材料還沒有系統(tǒng)、完善的評價方法。各電機制造廠商對各種絕緣材料的認證過程中沒有統(tǒng)一的標準，也無法建立材料性能與電機長期運行安全性、可靠性的聯(lián)系。

基于上述現(xiàn)狀，有必要對驅(qū)動電機使用的電磁線、浸漬樹脂、絕緣紙等主要絕緣材料進行系列測試。考慮到油冷驅(qū)動電機中浸漬樹脂需要與自動變速箱油（ATF油）直接接觸，結(jié)合新能源驅(qū)動電機的特殊運行工況，可以設(shè)計不同的老化條件，重點考核絕緣材料各項長期老化后的性能及浸漬樹脂與ATF油的相容性。

在系列測試涉及的絕緣材料中，浸漬樹脂是其中重要的一部分。浸漬樹脂的耐熱性、絕緣性能、力學性能、環(huán)保性能和施工性能對新能源汽車驅(qū)動電機的安全運行和生產(chǎn)制造具有重要的意義，研究浸漬樹脂的老化性能對于探索電機結(jié)構(gòu)的長期安全運行至關(guān)重要。目前，新能源驅(qū)動電機主要浸漆工藝有常規(guī)的滴浸、VPⅠ、電加熱沉浸（滴浸）等[7]。已經(jīng)商業(yè)化的新能源驅(qū)動電機浸漬樹脂主要以環(huán)保型聚酯亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂兩類為主，其他品種的樹脂用量很少，多用于一些極為特殊的場合[8-9]。

環(huán)保型聚酯亞胺浸漬樹脂主要由樹脂、固化劑、活性稀釋劑和助劑組成[10-12]，其樹脂的結(jié)構(gòu)調(diào)整方便，易滿足柔韌性、力學性能等不同方向的改善需求，此外使用不飽和聚酯亞胺樹脂代替不飽和聚酯樹脂也可以進一步提升耐熱性。為了滿足環(huán)保的要求，體系中的稀釋劑一般為丙烯酸酯類、甲基丙烯酸酯類等高沸點活性單體，固化過程中的VOC含量可以降低到3%以下。單組分、低引發(fā)溫度、貯存穩(wěn)定的低揮發(fā)環(huán)保滴漆體系已經(jīng)成為主流趨勢。環(huán)氧樹脂浸漬樹脂主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、環(huán)氧稀釋劑、助劑等組成，由于固化后極性羥基和醚鍵的存在，環(huán)氧樹脂對各種基材都具有突出的黏附性。大部分的環(huán)氧樹脂和固化劑的反應(yīng)是通過直接縮聚進行的，沒有水或其他揮發(fā)性副產(chǎn)品放出，也沒有雙鍵的加聚反應(yīng)，其固化過程中顯示出很低的收縮性。

本研究選取新能源驅(qū)動電機領(lǐng)域具有代表性的環(huán)保型聚酯亞胺浸漬樹脂和環(huán)氧浸漬樹脂各一款，主要分析兩種浸漬樹脂在各種長期老化條件下的熱失重和粘結(jié)強度性能變化趨勢。通過對比兩款材料的性能變化差異，分析對兩種樹脂有顯著影響的老化條件。通過解析樹脂結(jié)構(gòu)變化的差異，建立樹脂結(jié)構(gòu)變化和性能變化的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實驗

1.1 主要材料

環(huán)氧浸漬樹脂，環(huán)氧酸酐單組份型，市售；聚酯亞胺浸漬樹脂，丙烯酸酯類稀釋劑，市售；漆包線，0.315 mm裸線線徑，2級漆膜的Q(ZY/XY)-2/200漆包線；ATF油，Dexron ULV；蒸餾水；乙醇，分析純。

1.2 主要儀器及設(shè)備

差示掃描量熱儀（DSC），DSC3500 Sirius型，德國耐馳公司；電子萬能材料試驗機（帶溫控箱），CMT5504型，深圳三思試驗設(shè)備有限公司；鼓風烘箱1，PHH101型，廣州五所環(huán)境儀器有限公司；鼓風烘箱2，T0G-M960ZS型，江蘇拓米羅環(huán)境試驗設(shè)備有限公司；溫度沖擊試驗箱，CJ62S2111型，重慶銀河試驗儀器有限公司；溫度（濕度）速變試驗箱，EBS-KWGDS62ⅠV型，重慶銀河試驗儀器有限公司；傅里葉紅外光譜（FTⅠR），ⅠRAffinity-1S，日本島津公司；X射線電子能譜測試儀（XPS），EscaLab 250Xi型，賽默飛公司。

1.3 扭絞線圈樣品制備及測試

依據(jù)ⅠEC 61033:1991方法A：扭絞線圈法試驗進行粘結(jié)強度樣品制樣及測試[13]。

1.4 試驗項目

1.4.1 熱失重

在每個鋁制圓盤（內(nèi)部直徑為45 mm，高度為10 mm）內(nèi)稱量5 g±0.1 g樹脂，初始質(zhì)量記為W0，將樹脂置于150℃鼓風烘箱1中固化1 h，樹脂固化后質(zhì)量記為W1。

將固化后的熱失重樣品置于220℃鼓風烘箱1下并每隔一段時間稱重，質(zhì)量記為Wt。浸漬樹脂VOC含量是指固化過程中浸漬樹脂質(zhì)量損失占固化前浸漬樹脂質(zhì)量的百分比，即(W0-W1)/W0×100%。熱失重是指一段時間老化后固化樹脂的質(zhì)量損失占固化樹脂初始質(zhì)量的百分比，即(W1-Wt)/W1×100%。每個測試點準備3組樣品，結(jié)果取3個測試值的平均值。

1.4.2 粘結(jié)強度樣品的老化試驗

將扭絞線圈樣品直接置于老化箱或盛有ATF油液的密封罐中，并將密封罐置于不同試驗設(shè)備中老化，定期取樣測試，老化試驗項目如表1所示。

表1 粘結(jié)強度樣品老化試驗Tab.1 Ageing test of bonding strength samples

2 結(jié)果與討論

2.1 浸漬樹脂固化程度

浸漬樹脂的性能都需要先將浸漬樹脂固化后進行測試，因此要保證制樣過程中浸漬樹脂固化完全。依據(jù)各自的產(chǎn)品說明書，兩種浸漬樹脂的固化條件都設(shè)置為150℃/1 h。為了驗證固化程度，使用DSC測試兩種樹脂固化前后的放熱峰，依據(jù)DSC放熱峰面積大小計算固化程度，結(jié)果如表2所示。

表2 DSC測試樹脂固化前后的放熱量Tab.2 Heat release of resin measured by DSC befor and after curing

由表2可知，兩種樹脂在此固化條件下固化程度都已經(jīng)超過了95%，符合試驗設(shè)計的預(yù)期要求。之后的熱失重測試樣品和粘結(jié)強度測試樣品均采用此固化工藝進行固化。

2.2 熱失重性能

浸漬樹脂VOC含量過高不僅需要更多環(huán)保處理設(shè)備投入，對定子浸漬后的性能也有一定影響。通過稱量熱失重樣品固化過程中的質(zhì)量來計算VOC含量，得到環(huán)氧樹脂的VOC含量為0.70%，聚酯亞胺樹脂的VOC含量為1.41%，顯示兩種浸漬樹脂的VOC含量都很低，符合環(huán)保浸漬漆的要求。

為了揭示長期高溫暴露對絕緣材料性能的影響，通過測量浸漬樹脂固化樣品在220℃溫度下老化3、6、9、12 d的質(zhì)量損失，比較兩種樹脂的熱失重，結(jié)果如表3所示。

表3 浸漬樹脂220℃下老化熱失重Tab.3 Thermal weight loss of impregnating resin aged at 220℃

從表3可以看出，兩種固化樹脂老化12 d的熱失重都小于10%，其中環(huán)氧樹脂的熱失重更低，老化12 d后的熱失重為2.00%。

2.3 粘結(jié)強度

扭絞線圈的粘結(jié)強度測試是測定浸漬樹脂對漆包線基材粘結(jié)強度的試驗方法，將浸漬固化后的扭絞線圈在試驗機上進行彎曲試驗，把在規(guī)定時間內(nèi)該線圈的最大破壞力作為該浸漬樹脂對漆包線基材的粘結(jié)強度。通過設(shè)計測試不同溫度下浸漬樹脂的粘結(jié)強度以及不同老化時間和環(huán)境條件下浸漬樹脂的粘結(jié)強度，研究粘結(jié)強度的變化規(guī)律，并對比兩種浸漬樹脂的測試結(jié)果差異。

2.3.1 扭絞線圈在不同溫度下的粘結(jié)強度

表4為浸漬樹脂在不同溫度下（在對應(yīng)溫度下保持10 min后測試）的粘結(jié)強度。從表4可以看出，隨著溫度升高，兩款樹脂的粘結(jié)強度都隨著溫度的升高而逐漸下降，其中環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度下降更快。對比不同測試溫度下的粘結(jié)強度可以發(fā)現(xiàn)，室溫下，環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度高于聚酯亞胺樹脂；在120℃下，兩者處于同一水平；在180℃下，聚酯亞胺樹脂的粘結(jié)強度則更高，測試值已經(jīng)超過環(huán)氧樹脂的2倍。

表4 浸漬樹脂在不同溫度下的粘結(jié)強度Tab.4 Bonding strength of impregnating resin at different temperatures單位：N

2.3.2 扭絞線圈在200℃高溫老化后的粘結(jié)強度

表5為浸漬樹脂在200℃下老化后的粘結(jié)強度。從表5可以看出，在200℃下高溫老化后，兩種浸漬樹脂的粘結(jié)強度比初始值均有一定程度的增長，老化500 h時粘結(jié)強度就已經(jīng)達到最大值，在之后的500～2 000 h內(nèi)，兩者的粘結(jié)強度小幅波動。在同等條件下，聚酯亞胺樹脂的粘接強度比環(huán)氧樹脂的要低。

表5 浸漬樹脂在200℃下老化后的粘結(jié)強度Tab.5 Bonding strength of impregnating resin aged at 200℃單位：N

2.3.3 扭絞線圈在高低溫沖擊后的粘結(jié)強度

表6為浸漬樹脂在高低溫沖擊老化后的粘結(jié)強度，高低溫沖擊老化中-40℃/0.5 h+150℃/0.5 h為一個循環(huán)。從表6可以看出，與之前的高溫老化相似，高溫150℃對兩種浸漬樹脂的粘結(jié)強度都有提升。聚酯亞胺樹脂的粘結(jié)強度更早達到最大值，從300循環(huán)到600循環(huán)，其粘結(jié)強度保持同一水平，而環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度還在繼續(xù)增長。

表6 浸漬樹脂在高低溫沖擊老化后的粘結(jié)強度Tab.6 Bonding strength of impregnating resin after high and low temperature shock ageing單位：N

2.3.4 扭絞線圈在高低溫循環(huán)耐ATF油老化后的粘結(jié)強度

表7為浸漬樹脂在高低溫循環(huán)耐油老化后的粘結(jié)強度，高低溫循環(huán)老化中-40℃/8 h+150℃/40 h為一個循環(huán)，溫度轉(zhuǎn)換時間不大于1 h，設(shè)計了兩種浸泡狀態(tài)。

表7 浸漬樹脂在高低溫循環(huán)耐油老化后的粘結(jié)強度Tab.7 Bonding strength of impregnating resin after high and low temperature cycling in ATF oil單位：N

從表7可以看出，ATF油浸泡下環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度在2個循環(huán)后就基本達到最大值，而聚酯亞胺樹脂的粘結(jié)強度在8個循環(huán)結(jié)束時還在繼續(xù)增長。與單一ATF油浸泡相比，ATF油+0.5%水密閉浸泡下環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度數(shù)據(jù)波動更大，而聚酯亞胺樹脂在此兩種浸泡條件下的粘結(jié)強度接近。在該實驗條件下，ATF油中是否加水對聚酯亞胺樹脂粘結(jié)強度的影響更小。

從圖2的分類觀察發(fā)現(xiàn),大多數(shù)SP型El Nio事件中的Nio3.4指數(shù)最大值超過1.8 ℃,屬于強的暖事件,持續(xù)時間也長;而SU型El Nio事件較弱,持續(xù)時間也短。

2.3.5 扭絞線圈在150℃高溫耐ATF油老化后的粘結(jié)強度

表8為浸漬樹脂在150℃高溫耐油老化后的粘結(jié)強度。從表8可以看出，150℃高溫下ATF油中不加水對兩種浸漬樹脂的粘結(jié)強度影響類似，高溫下浸漬樹脂的粘結(jié)強度有一定增長，環(huán)氧樹脂在老化500 h后粘結(jié)強度還在緩慢增長，聚酯亞胺樹脂在老化500 h后粘結(jié)強度基本保持不變。聚酯亞胺樹脂在此兩種老化條件下粘結(jié)強度表現(xiàn)非常類似，老化500 h后粘結(jié)強度基本達到最大值，之后從500 h到2 000 h內(nèi)，粘結(jié)強度測試值都比較穩(wěn)定，說明ATF油浸泡下在150℃老化2 000 h內(nèi)，0.5%的水對聚酯亞胺樹脂的粘結(jié)強度沒有顯著影響。環(huán)氧樹脂則明顯不同，在ATF油+0.5%水浸泡及150℃高溫條件下，粘結(jié)強度持續(xù)降低，在老化500 h后粘結(jié)強度只有初始值的16.41%，1500 h后粘結(jié)強度達到最低值，只有初始值的4.29%。

表8 浸漬樹脂在150℃高溫耐油老化后的粘結(jié)強度Tab.8 Bonding strength of impregnating resin aged at 150℃in ATF oil單位：N

2.4 樹脂結(jié)構(gòu)分析

ATF油+0.5%水密閉浸泡下150℃老化對兩款樹脂的粘結(jié)強度有不同的影響，其中環(huán)氧樹脂的性能下降嚴重，因此對比測試ATF油+0.5%水密閉浸泡下150℃老化2 000 h的兩種樹脂和初始樹脂的傅里葉紅外光譜和X射線電子能譜。將粘結(jié)強度試樣中的浸漬樹脂剝落，使用乙醇清洗試樣殘留的ATF油，清洗3次后，將試樣置于40℃鼓風烘箱中24 h除去乙醇，再用于傅里葉紅外光譜和X射線電子能譜測試[14-19]。

2.4.1 紅外光譜

圖1為環(huán)氧樹脂在ATF油+0.5%水密閉浸泡下150℃老化2 000 h前后的紅外光譜。從圖1可以看出，環(huán)氧樹脂老化前的紅外光譜中，3 400 cm-1處的寬峰是羥基的伸縮振動吸收峰。環(huán)氧酸酐體系固化時，環(huán)氧開環(huán)與酸酐反應(yīng)生成酯并有羥基生成，因此固化后體系中含有大量的羥基。1 735 cm-1處為環(huán)氧樹脂固化后生成的酯C=O伸縮振動峰，1 608、1 583、1 510 cm-1處為環(huán)氧樹脂的苯環(huán)伸縮振動峰，1 037 cm-1為羥基的C-O伸縮振動峰。1 300～1 000 cm-1為酯的C-O伸縮振動吸收帶。

圖1 環(huán)氧樹脂老化前后的紅外光譜Fig.1 FTIR spectra of epoxy resin before and after ageing

對比老化前后紅外光譜變化可以看出，老化后環(huán)氧樹脂3 400 cm-1處吸收峰變大變寬，羥基數(shù)量有所增加；1 735 cm-1處酯的C=O伸縮振動強度變?nèi)酰? 300～1 000 cm-1吸收帶變小，酯鍵含量降低。推測由于酯鍵大量水解，造成酯鍵含量減少，有更多羥基生成[20-21]。

圖2為聚酯亞胺樹脂在ATF油+0.5%水密閉浸泡下150℃老化2 000 h前后的紅外光譜。

從圖2可以看出，聚酯亞胺樹脂老化前的紅外光譜中，3 400 cm-1處的小寬峰是羥基的伸縮振動吸收峰。聚酯亞胺樹脂合成過程中有酯化反應(yīng)，因此羥基會有少量過量。1 729 cm-1為樹脂和稀釋劑中酯的C=O伸縮振動峰，1 643 cm-1處的小峰為少量未固化的碳碳雙鍵（C=C）的伸縮振動吸收峰。1 300～1 000 cm-1為酯的C-O伸縮振動吸收帶。

對比老化前后紅外光譜變化可以看出，聚酯亞胺樹脂在老化后在1 643 cm-1處小的吸收峰消失，這是少量C=C在長期老化后進一步固化造成的[22]。其他吸收峰的形狀和強度變化不大，顯示其結(jié)構(gòu)變化并不明顯。

2.4.2 X射線電子能譜

表9為浸漬樹脂的X射線電子能譜。由表9可知，環(huán)氧樹脂C元素含量由老化前的72.85%提高到老化后的87.81%，O元素由老化前的23.67%下降到老化后的10.71%，證實了在老化時環(huán)氧樹脂的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較大的變化。聚酰亞胺樹脂的C元素和O元素含量變化較小，與紅外光譜測試結(jié)果相印證，說明其化學結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的改變。

表9 浸漬樹脂X射線電子能譜Tab.9 X-ray electron spectroscopy of impregnating resin

3 結(jié)論

（1）兩種浸漬樹脂的VOC含量和長期耐熱性均符合要求。在25℃下，聚酯亞胺浸漬樹脂的粘結(jié)強度比環(huán)氧浸漬樹脂的低；在120℃下，兩者在同一水平；而在150℃、180℃下，聚酰亞胺浸漬樹脂的粘結(jié)強度反而比環(huán)氧浸漬樹脂更高。

（2）在200℃老化、高低溫沖擊條件下，長期老化對環(huán)氧樹脂和聚酯亞胺樹脂的粘結(jié)強度影響趨勢一致。

（3）在ATF油+0.5%水密閉環(huán)境150℃老化后，環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度顯著下降，而聚酯亞胺的粘結(jié)強度均比初始值高。使用紅外光譜和XPS分析老化前后兩種樹脂，環(huán)氧樹脂的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，推斷其性能下降的原因是樹脂發(fā)生了水解；而聚酯亞胺樹脂的結(jié)構(gòu)變化不大。

（4）在新能源驅(qū)動電機較嚴苛運行工況下，聚酯亞胺浸漬樹脂更具有優(yōu)勢。