＊王剛 李韋韋 曹蕾 潘棟杰

（江蘇江南烯元石墨烯科技有限公司 江蘇 213149）

在電動(dòng)車輛中，電機(jī)控制器的功能是根據(jù)檔位、油門(mén)、剎車等指令，將動(dòng)力電池所儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電能來(lái)控制電動(dòng)車輛的啟動(dòng)運(yùn)行、進(jìn)退速度、爬坡力度等行駛狀態(tài)，它是電動(dòng)車輛的關(guān)鍵零部件之一[1]。

當(dāng)控制器自身溫度超過(guò)一定溫度后，自動(dòng)降低輸出電流，并有最高溫度限值保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)在電動(dòng)車負(fù)荷過(guò)大或者爬坡時(shí)候，控制器輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)部溫度過(guò)高，一旦超過(guò)溫度限值，會(huì)使電動(dòng)車輸出效率大大下降，因此，控制器的經(jīng)濟(jì)快速散熱方式成為難題。

傳統(tǒng)的電子元件為了散熱通常加裝金屬散熱翅片，但是金屬表面的熱輻射系數(shù)很低，在對(duì)流狹小的空間，輻射散熱成為主導(dǎo)，通過(guò)涂層技術(shù)改善金屬表面的熱輻射效率，是提高金屬材料散熱性能的重要途徑[2-7]。

文獻(xiàn)表明涂層技術(shù)包括陽(yáng)極氧化和噴涂散熱涂料[8-13]。散熱涂料以施工簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、不受材料限制被廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)輻射填料包括納米碳球、碳納米管、石墨、碳化硅等。相關(guān)文獻(xiàn)表明超細(xì)化、納米化的物質(zhì)能有效降低物質(zhì)折射系數(shù)，從而增強(qiáng)物體的發(fā)射率[14-15]。

石墨烯的制備方法主要包括化學(xué)法和物理超聲剝離法?；瘜W(xué)法制備的石墨烯片層薄，但片層結(jié)構(gòu)破壞較大，使得熱阻增大散熱效果不佳。物理超聲剝離法是先將少量膨脹石墨分散在相應(yīng)的溶劑中，利用超聲波能量來(lái)破壞石墨的層間作用力，使溶劑插入到石墨層間進(jìn)行剝離制備，從而得到石墨烯微片[16]，但此種方法制備的粉體，粒徑偏大，片厚較大，使得粉體在樹(shù)脂中的分散不良，導(dǎo)致涂層連續(xù)性和致密性不佳也會(huì)導(dǎo)致散熱性能的降低，因此，如何制備出既保持完整石墨烯片層結(jié)構(gòu)和納米尺度的粉體成為了關(guān)鍵問(wèn)題。本論文以制備納米片徑和厚度薄的石墨烯為核心，通過(guò)均質(zhì)和砂磨技術(shù)，利用多級(jí)分選工藝制備了納米石墨烯；基于環(huán)保和提高耐溫性及增加熱輻射系數(shù)為目的，我們選用水性納米陶瓷樹(shù)脂為粘結(jié)劑制備了高輻射、高導(dǎo)熱的輻射涂料。水性陶瓷涂料的主結(jié)構(gòu)為硅氧烷、二氧化硅、納米鋁等為原料，并以醇水為溶劑的無(wú)機(jī)納米聚合物。其主要是由硅氧鍵所組成（-O-Si-O-）。硅氧鍵的鍵結(jié)能遠(yuǎn)大于有機(jī)樹(shù)脂中的含碳鍵結(jié)，如碳氧鍵（-C-O-）、碳碳鍵（-C-C-）、碳?xì)滏I（-C-H-），所以能產(chǎn)生更優(yōu)異的耐化性、耐溶劑性、耐熱性（600～1200℃）、高硬度（6～8H）及耐磨性。這些性能在電動(dòng)車裝機(jī)試驗(yàn)中也進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)原材料及設(shè)備

自制納米石墨烯；PVP、CMC（國(guó)藥）；水性陶瓷樹(shù)脂（廣東佛山綠之樹(shù)新材料科技有限公司）；均質(zhì)機(jī)（蘇州安拓思科技）；砂磨機(jī)（常州固堡科技）；真空行星攪拌機(jī)（無(wú)錫智彤緣豐科技）；鹽田W-71C噴槍；激光粒度儀（丹東百特）。

(2)納米石墨烯及輻射涂料的制備

①納米石墨烯的制備方法

稱取一定量的膨脹石墨微片，加入高速分散機(jī)中，定量加入水和PVP，攪拌均勻后將液體泵入均質(zhì)機(jī)，隨后將產(chǎn)物通過(guò)隔膜泵抽入砂磨機(jī)進(jìn)行砂磨，最后通過(guò)高壓過(guò)濾去除大片徑顆粒，將收集的溶液進(jìn)行壓濾處理，得到固含約為16%的濾餅待用。

②輻射涂料的制備方法

稱取20kg水性陶瓷樹(shù)脂（固含25%）和8kg石墨烯濾餅（16%）在真空行星攪拌機(jī)中進(jìn)行中速混合，經(jīng)過(guò)濾機(jī)出料得到灰黑色均勻液體。

(3)測(cè)定與表征

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Navo Nano SEM450）進(jìn)行樣品的表面形貌和微結(jié)構(gòu)表征；使用原子力顯微鏡（Dimension Edge）進(jìn)行納米尺度材料表面形貌及粗糙度分析；使用激光拉曼光譜儀（inVia Reflex）進(jìn)行化合物拉曼特征鑒定；使用激光熱導(dǎo)儀（LFA467）進(jìn)行薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試。

①導(dǎo)熱樣品的制備

在干凈的PET表面噴涂輻射涂料制備成黑膜樣品，用適當(dāng)工具裁取一片直徑約25.4mm的正圓形樣品采用千分尺或數(shù)顯測(cè)厚儀準(zhǔn)確測(cè)量樣品的厚度將樣品放入In-Plane支架，再將支架放入25.4mm圓形標(biāo)準(zhǔn)支架中，放入儀器待測(cè)制樣時(shí)全程佩戴手套，以防雙手表面的汗液或油污沾染到樣品表面，造成測(cè)試結(jié)果的偏差。保證樣品不褶皺卷曲、表面沒(méi)有劃痕，邊緣無(wú)過(guò)多毛刺。

②電機(jī)控制器表面噴涂處理

選用科幻公司的18管1000W的電機(jī)控制器，樣品噴涂用手動(dòng)噴槍進(jìn)行。噴涂前需出料均勻，霧化良好。噴頭距離基板約200mm，從左至右均勻掃過(guò)。保證涂料在基板上實(shí)現(xiàn)良好遮蓋。濕膜厚度約60μm，干膜厚度約10μm。噴涂后應(yīng)靜置1min后再進(jìn)行烘烤，實(shí)現(xiàn)更好的涂層平整度，并防止起泡。固化方式：180℃烘烤10min，烤干后，再經(jīng)過(guò)250℃烘烤20min即可。為了方便對(duì)比此款輻射涂料的散熱效果，我們選取蘇州砥創(chuàng)公司的油性環(huán)氧石墨烯（D50為7μm）散熱涂料做對(duì)比，對(duì)比樣品記為B-油性石墨烯，本文輻射涂料記為C-納米石墨烯。

2.結(jié)果與討論

(1)納米石墨烯結(jié)構(gòu)表征

表1 納米石墨烯的粒度表征

圖1為制備的納米石墨烯掃描電鏡照片，圖中表明石墨烯宏觀尺寸大都集中在納米尺寸，且均為平整薄片，通過(guò)激光粒度儀測(cè)定粉體的粒度，如表1所示，粉體的D50為0.743μm，與SEM數(shù)據(jù)吻合，可以看出制備的石墨烯符合納米尺寸要求。

圖2為制備的納米石墨烯的拉曼表征，從圖中可知，位于1600cm-1附近的G峰，以及2700cm-1左右的2D峰為特征峰，在1350cm-1出現(xiàn)的缺陷特征D峰，表明所制備的石墨烯含有少量缺陷。

圖2 納米石墨烯的拉曼表征

圖3 納米石墨烯的AFM表征

表2 輻射涂料涂層的水平導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

表3 輻射涂料涂層的縱向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試

圖3為制備的納米石墨烯的AFM表征。從圖中能看出粉體具有宏觀尺寸上的納米片徑，以及厚度上的納米尺寸，通過(guò)測(cè)量其厚度，分析得出厚度大約在1.5～2nm之間，屬于少層石墨烯。

(2)輻射涂料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

表2和表3為輻射涂料涂層利用激光導(dǎo)熱儀測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)，其中水平導(dǎo)熱系數(shù)平均值為11.5W/(m·K)左右，縱向?qū)嵯禂?shù)平均值為4W/(m·K)左右。

(3)輻射涂料的性能指標(biāo)

如表4所示，所制備的輻射涂料突出的性能包括高紅外輻射率，硬度以及耐溫性，傳統(tǒng)的有機(jī)樹(shù)脂長(zhǎng)期耐溫不能大于250℃，限制了輻射涂料的應(yīng)用范圍，應(yīng)用陶瓷樹(shù)脂的輻射涂料可應(yīng)用在包括加熱PTC取暖器、溫度大于300℃的環(huán)境中長(zhǎng)期使用。

表4 輻射涂料的性能指標(biāo)

(4)輻射涂料在電機(jī)控制器的實(shí)例應(yīng)用

為了測(cè)試輻射涂料的真實(shí)散熱效果，我們選用科幻公司的18管1000W的電機(jī)控制器（圖4）進(jìn)行噴涂，并由廠家進(jìn)行電動(dòng)車裝載實(shí)測(cè)。為了對(duì)比效果，選定了不噴涂輻射涂料的A-空白樣，噴涂其他廠家油性散熱涂料的B-油性石墨烯做對(duì)比，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：環(huán)境溫度5℃，MOS管（SKD502T），電源為60V，電流38.5A，外加負(fù)載800。實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)（部分）如表5、表6、表7所示。

圖4 電機(jī)控制器實(shí)圖

表5 A-空白電機(jī)控制器導(dǎo)熱溫度測(cè)試

由表8可以看出，從加載負(fù)載直至電機(jī)控制器腔內(nèi)到達(dá)80℃的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)判斷輻射涂料的散熱優(yōu)劣，空白電機(jī)控制器60min達(dá)到溫度限值，對(duì)比廠家油性環(huán)氧散熱涂料75min到達(dá)溫度限值，納米石墨烯陶瓷輻射涂料165min到達(dá)溫度限值，散熱性能超過(guò)一倍多。納米石墨烯陶瓷輻射涂料之所以性能突出，主要原因有兩點(diǎn)，一是將原有微米尺寸的石墨烯納米化，降低了填料的粒徑尺度，增加了表面積，從而發(fā)射率相對(duì)提高[17-20]，而且將此粉體與水性陶瓷樹(shù)脂結(jié)合，利用陶瓷樹(shù)脂本身具備的輻射能力，不會(huì)弱化整體涂料的性能。二是對(duì)比油性環(huán)氧樹(shù)脂，固含高，噴涂厚度大，使得散熱效果不佳，而陶瓷輻射涂料由于固含低，噴涂厚度比較薄，在滿足漆面的要求下更容易體現(xiàn)散熱效果。

表6 B-油性石墨烯電機(jī)控制器導(dǎo)熱溫度測(cè)試

表7 C-納米石墨烯電機(jī)控制器導(dǎo)熱溫度測(cè)試

表8 三種樣品升溫至80℃時(shí)間

3.結(jié)語(yǔ)

輻射散熱涂料是一種對(duì)熱輻射具有很高發(fā)射率或吸收率的功能型節(jié)能材料，能夠強(qiáng)化熱源與受熱面或受熱體之間的輻射熱交換，以達(dá)到提高熱利用率及節(jié)能的目的。輻射散熱涂料具備良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，并能夠與金屬或陶瓷基體高強(qiáng)度的結(jié)合。除此之外，良好的絕緣性、防腐性、防水性、抗酸堿性使它成為國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)可的一種重要的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品[21]。石墨烯是輻射涂料的理想材料之一，但真正利用石墨烯的平面特性及高導(dǎo)熱率是研究者的難點(diǎn)。本文以制備納米尺寸的石墨烯為核心，充分結(jié)合水性陶瓷涂料的環(huán)保型、耐溫性、適用性及高輻射率等優(yōu)點(diǎn)，將輻射涂料在電機(jī)控制器的散熱問(wèn)題上進(jìn)一步得到了提升，該輻射涂料以輻射能力強(qiáng)、涂層薄、熱阻小為顯著特征，可以激發(fā)金屬散熱器表面的共振效應(yīng)，顯著提高遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，加快熱量從散熱器表面的散發(fā)[22]，為今后以輻射散熱的應(yīng)用領(lǐng)域提供了經(jīng)濟(jì)的解決方案。