小型高压电源绝缘封装材料制备及性能研究

摘要

铁电体电源(Ferroelectric Generator)是一种小型高压电源，以经过极化而具有剩余极化强度的铁电陶瓷作为能量储存器件，在工作中无需外加充电装置，具有储能密度高，电源体积小，结构简单等优点。它可以同时输出高电压、大电流，因此电源在高压下的绝缘性能显得尤为重要。电源中用于换能的铁电陶瓷被灌封在封装介质中，封装介质应具备良好的绝缘性能，并与铁电陶瓷的粘结性能、热稳定性能和介电性能具有良好的匹配性。Al2O3/环氧树脂是一种综合性能较优的封装候选材料。目前对Al2O3/环氧树脂的研究主要集中在对材料本身的力学性能方面而与铁电陶瓷的粘结性能、热学性能、介电性能的匹配性方面还缺乏深入的研究，本论文对此进行了比较系统的研究分析，指出添加Al2O3可以提高环氧树脂封装材料的热学稳定性能和介电常数，同时可以提高其与铁电陶瓷的粘结性能，有利于改善环氧树脂与铁电陶瓷性能的匹配性。论文的研究结果也有利于理解小型高压电源封装的绝缘机理。
　　论文采用双酚A型环氧树脂作为基体，片状Al2O3作为填料，并用偶联剂γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)对Al2O3表面改性，通过溶液混合法制备不同添加量的Al2O3/环氧树脂封装材料。通过傅利叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、热分析仪和Aglient4294A阻抗分析仪对Al2O3/环氧树脂封装材料的微观结构、机械性能、热学性能和介电性能进行了测试，论文的主要工作和创新点如下:
　　(1)通过傅立叶变换红外光谱仪测试Al2O3改性前后的表面结构，结果表明改性Al2O3表面-OH峰明显减弱，Si-O键吸收峰增强，并且出现-CH2的不对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰，说明偶联剂与Al2O3表面形成了化学键。通过测试封装材料的密度计算得到Al2O3在环氧树脂中的沉降率，Al2O3沉降率均随其添加量增加而降低，且改性Al2O3在环氧树脂中具有较低的沉降率;通过扫描电镜(SEM)测试封装材料的微观形貌图，得出随着Al2O3添加量的增加，改性Al2O3在环氧树脂基体中具有更好的分散性，团聚现象得到很大的改善。
　　(2)采用万能试验机测试纯环氧树脂和添加Al2O3制备的封装材料与铁电陶瓷间的拉伸剪切强度，发现添加Al2O3有助于提高封装材料与铁电陶瓷间的粘结性能，在冲击波作用下，可以尽量避免冲击波剪切作用导致材料的破环，从而保证其绝缘性能。采用热分析仪和热膨胀仪对封装材料的热稳定性能进行测试，结果表明封装材料的热失重量随Al2O3添加量增加而减小，高添加量Al2O3制备的封装材料具有更好的热学稳定性能;封装材料热膨胀系数与热膨胀量均随着Al2O3添加量增加而降低，与铁电陶瓷的热膨胀系数匹配度随Al2O3添加量增加而提高，其中添加30vol％Al2O3制备的封装材料与铁电陶瓷间匹配性更高，可改善环境温度变化时封装材料与铁电陶瓷间开裂问题，从而提高电源的绝缘性能。
　　(3)采用Aglient4294A阻抗分析仪和脉冲耐压测试仪测试封装材料的介电性能，结果表明纯环氧树脂和添加Al2O3制备的封装材料的介电常数均随频率的增加而降低，介电损耗均随频率的增加而增加;随着Al2O3添加量的增加，封装材料介电常数随着增加，介电损耗值随着降低，并且在同等添加量下改性Al2O3制备的封装材料介电常数随着增大，介电损耗随着减小;介电强度随Al2O3添加量的增加呈现先降低后增加的趋势。采用静电场模拟软件研究了不同Al2O3添加量制备的封装材料对三相点电场强度的影响，考察封装材料与铁电陶瓷介电性能的匹配性问题，计算结果表明在同样外施电压水平时，随着封装材料介电常数的增加，三相点最大电场强度逐渐降低，封装材料与铁电陶瓷间介电性能匹配性提高。本论文实验中添加Al2O3为30vol％时，制备的封装材料介电常数为5.8，为了使三相点电场强度降低更多，还需要进一步提高封装材料的介电常数，提高封装材料与铁电陶瓷间介电性能的匹配性。当封装材料的介电常数提高至100左右时，三相点电场强度降低至30％左右，电场强度降低量大幅度增加，封装材料与铁电陶瓷间介电性能的匹配性大幅度提高，将更加有效地抑制沿面闪络现象发生，提高电源的绝缘性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 封装材料介绍

1．3 环氧树脂封装材料介绍

1．3．1 环氧树脂封装材料主要组分

1．3．2 环氧树脂封装材料灌封工艺介绍

1．3．3 环氧树脂封装材料存在的问题

1．3．4 环氧树脂封装材料改性方法

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究现状

1．5 本论文研究的内容

1．6 本论文创新点

第二章 Al2O3／环氧树脂封装材料制备

2．1 实验材料的选择

2．1．1 环氧树脂

2．1．2 固化剂

2．1．3 填料

2．1．4 表面改性剂

2．2 制备工艺

2．2．1 Al2O3表面改性工艺

2．2．2 Al2O3／环氧树脂封装材料制备工艺

2．3 实验设备及性能测试方法

2．3．1 实验设备

2．3．2 性能测试方法

2．4 Al2O3性能测试

2．4．1 Al2O3改性前后结构分析

2．4．2 Al2O3在环氧树脂中的沉降率

2．5 本章小结

第三章 封装材料机械性能与热学稳定性能测试

3．1 封装材料机械性能

3．1．1 Al2O3添加量对拉伸剪切强度的影响

3．1．2 高低温实验对拉伸剪切强度的影响

3．2 封装材料热学稳定性

3．2．1 封装材料热分析测试

3．2．2 封装材料热膨胀系数测试

3．3 本章小结

第四章 封装材料介电性能测试

4．1 封装材料介电常数

4．1．1 Al2O3添加量对封装材料介电常数的影响

4．1．2 偶联剂对封装材料介电常数的影响

4．2 封装材料介电损耗

4．2．1 Al2O3添加量对封装材料介电损耗的影响

4．2．2 偶联剂对封装材料介电损耗的影响

4．3 封装材料介电强度

4．4 封装材料介电常数对三相点电场强度的影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果