小型高壓電源絕緣封裝材料制備及性能研究.pdf

1、鐵電體電源(Ferroelectric Generator)是一種小型高壓電源，以經(jīng)過(guò)極化而具有剩余極化強(qiáng)度的鐵電陶瓷作為能量?jī)?chǔ)存器件，在工作中無(wú)需外加充電裝置，具有儲(chǔ)能密度高，電源體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它可以同時(shí)輸出高電壓、大電流，因此電源在高壓下的絕緣性能顯得尤為重要。電源中用于換能的鐵電陶瓷被灌封在封裝介質(zhì)中，封裝介質(zhì)應(yīng)具備良好的絕緣性能，并與鐵電陶瓷的粘結(jié)性能、熱穩(wěn)定性能和介電性能具有良好的匹配性。Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂是一種綜

2、合性能較優(yōu)的封裝候選材料。目前對(duì)Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂的研究主要集中在對(duì)材料本身的力學(xué)性能方面而與鐵電陶瓷的粘結(jié)性能、熱學(xué)性能、介電性能的匹配性方面還缺乏深入的研究，本論文對(duì)此進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究分析，指出添加Al2O3可以提高環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料的熱學(xué)穩(wěn)定性能和介電常數(shù)，同時(shí)可以提高其與鐵電陶瓷的粘結(jié)性能，有利于改善環(huán)氧樹(shù)脂與鐵電陶瓷性能的匹配性。論文的研究結(jié)果也有利于理解小型高壓電源封裝的絕緣機(jī)理。
　　論文采用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂作為

3、基體，片狀A(yù)l2O3作為填料，并用偶聯(lián)劑γ-(2，3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)對(duì)Al2O3表面改性，通過(guò)溶液混合法制備不同添加量的Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料。通過(guò)傅利葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、熱分析儀和Aglient4294A阻抗分析儀對(duì)Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、熱學(xué)性能和介電性能進(jìn)行了測(cè)試，論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)通過(guò)傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)試Al2O3改性前后的表

4、面結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明改性Al2O3表面-OH峰明顯減弱，Si-O鍵吸收峰增強(qiáng)，并且出現(xiàn)-CH2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明偶聯(lián)劑與Al2O3表面形成了化學(xué)鍵。通過(guò)測(cè)試封裝材料的密度計(jì)算得到Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂中的沉降率，Al2O3沉降率均隨其添加量增加而降低，且改性Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂中具有較低的沉降率;通過(guò)掃描電鏡(SEM)測(cè)試封裝材料的微觀形貌圖，得出隨著Al2O3添加量的增加，改性Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂基體中具有更好的分散

5、性，團(tuán)聚現(xiàn)象得到很大的改善。
　　(2)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試純環(huán)氧樹(shù)脂和添加Al2O3制備的封裝材料與鐵電陶瓷間的拉伸剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)添加Al2O3有助于提高封裝材料與鐵電陶瓷間的粘結(jié)性能，在沖擊波作用下，可以盡量避免沖擊波剪切作用導(dǎo)致材料的破環(huán)，從而保證其絕緣性能。采用熱分析儀和熱膨脹儀對(duì)封裝材料的熱穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明封裝材料的熱失重量隨Al2O3添加量增加而減小，高添加量Al2O3制備的封裝材料具有更好的熱學(xué)穩(wěn)定性能;封裝

6、材料熱膨脹系數(shù)與熱膨脹量均隨著Al2O3添加量增加而降低，與鐵電陶瓷的熱膨脹系數(shù)匹配度隨Al2O3添加量增加而提高，其中添加30vol％Al2O3制備的封裝材料與鐵電陶瓷間匹配性更高，可改善環(huán)境溫度變化時(shí)封裝材料與鐵電陶瓷間開(kāi)裂問(wèn)題，從而提高電源的絕緣性能。
　　(3)采用Aglient4294A阻抗分析儀和脈沖耐壓測(cè)試儀測(cè)試封裝材料的介電性能，結(jié)果表明純環(huán)氧樹(shù)脂和添加Al2O3制備的封裝材料的介電常數(shù)均隨頻率的增加而降低，介電損

7、耗均隨頻率的增加而增加;隨著Al2O3添加量的增加，封裝材料介電常數(shù)隨著增加，介電損耗值隨著降低，并且在同等添加量下改性Al2O3制備的封裝材料介電常數(shù)隨著增大，介電損耗隨著減小;介電強(qiáng)度隨Al2O3添加量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。采用靜電場(chǎng)模擬軟件研究了不同Al2O3添加量制備的封裝材料對(duì)三相點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，考察封裝材料與鐵電陶瓷介電性能的匹配性問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果表明在同樣外施電壓水平時(shí)，隨著封裝材料介電常數(shù)的增加，三相點(diǎn)最大電場(chǎng)強(qiáng)