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)過極化而具有剩余極化強度的鐵電陶瓷作為能量儲存器件，在工作中無需外加充電裝置，具有儲能密度高，電源體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。它可以同時輸出高電壓、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)氧樹脂是一種綜

2、合性能較優(yōu)的封裝候選材料。目前對Al2O3/環(huán)氧樹脂的研究主要集中在對材料本身的力學性能方面而與鐵電陶瓷的粘結(jié)性能、熱學性能、介電性能的匹配性方面還缺乏深入的研究，本論文對此進行了比較系統(tǒng)的研究分析，指出添加Al2O3可以提高環(huán)氧樹脂封裝材料的熱學穩(wěn)定性能和介電常數(shù)，同時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理。
　　論文采用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為

3、基體，片狀Al2O3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Al2O3表面改性，通過溶液混合法制備不同添加量的Al2O3/環(huán)氧樹脂封裝材料。通過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Al2O3/環(huán)氧樹脂封裝材料的微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、熱學性能和介電性能進行了測試，論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　(1)通過傅立葉變換紅外光譜儀測試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，并且出現(xiàn)-CH2的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動吸收峰，說明偶聯(lián)劑與Al2O3表面形成了化學鍵。通過測試封裝材料的密度計算得到Al2O3在環(huán)氧樹脂中的沉降率，Al2O3沉降率均隨其添加量增加而降低，且改性Al2O3在環(huán)氧樹脂中具有較低的沉降率;通過掃描電鏡(SEM)測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)氧樹脂基體中具有更好的分散

5、性，團聚現(xiàn)象得到很大的改善。
　　(2)采用萬能試驗機測試純環(huán)氧樹脂和添加Al2O3制備的封裝材料與鐵電陶瓷間的拉伸剪切強度，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封裝材料的熱穩(wěn)定性能進行測試，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)境溫度變化時封裝材料與鐵電陶瓷間開裂問題，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試儀測試封裝材料的介電性能，結(jié)果表明純環(huán)氧樹脂和添加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;介電強度隨Al2O3添加量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。采用靜電場模擬軟件研究了不同Al2O3添加量制備的封裝材料對三相點電場強度的影響，考察封裝材料與鐵電陶瓷介電性能的匹配性問題，計算結(jié)果表明在同樣外施電壓水平時，隨著封裝材料介電常數(shù)的增加，三相點最大電場強