浅论新能源动力电池包导热结构胶最jia厚度的确定原则

GLPOLY研发中心  2021-01-28

有时，新能源动力电池包会在水冷板的上面设置导热板，则在水冷板与导热板中间需要使用导热结构胶。

问题，导热结构胶的最jia厚度是如何确定的？

1. 引用数据

   表1   导热结构胶导热系数和密度

表2  传统胶水导热系数和密度

1. 试确定

   2.1导热结构胶最jia厚度和最小厚度

   2.2 导热结构胶厚度与热阻增加的关系

   2.3 评价导热结构胶厚度与老化性能的关系

   3.  失效模式分析（DFEAM）

   影响导热结构胶最jia厚度和最小厚度的因素取决于金属板的粗糙度、翘曲度、导热结构胶固化之前的预紧压强、导热结构胶内置粉体的最da粒径、导热结构胶的加权平均粒径。

1. 传统胶水的厚度与热阻评估

   我们先看一下传统胶水的粘接过程。

   如图1至图3所示，先在水冷板3上滴加传统胶水2，接着由机械手把导热板1压合，并施加设计好的预紧压强P₀，使传统胶水2被压延至期望的厚度。传统胶水2的粘度越大、目标厚度越薄，则传统胶水2被压延至期望厚度所需要压强就越高，或者相同压强下所需的压延时间就越长、工艺效率低，用紧固件定位后，在zhiding温度的环境中固化粘合成一个整体。

   由于金属板的粗糙度一般在6.4微米左右，其翘曲度或翘曲量接近毫米级的，所以在预紧压强P₀ 接近∞之前，两块板之间的间隙大概率在1.2～12.7微米之间，其平均最小间隙大概率为6.4微米左右。在此间隙状态下，金属板存在的的机械回弹应力是非常大的，回弹应力还包括不同微分元面积区域的压应力、拉伸应力和剪切应力的综合叠加，是一个非常复杂的高能量内应力系统，固化之后粘结界面上的传统胶水将永久性承受机械应力的作用，不仅削弱粘结强度，同时还叠加老化速度加快效应。

   1）传统胶水最jia厚度的确定

   因此，传统胶水2的平均最小厚度不应该设计成6.4微米，而应该至少大于12.7微米。在以往的“国尖”项目设计经验中，在正常翘曲度时，优化的设计厚度可取平均粗糙度的25倍。例如铝合金板粗糙度为6.4微米则胶层厚度为其25倍是0.16mm、钢梁平均粗糙度为0.10 mm则胶层厚度为其25倍是2.5mm，可以削减、吸收和缓冲动态过程中的机械应力，同时施工效率较高。

1. 传统胶水粘结层热阻增加值，按方程（1）计算，结果见表3。

    ，m²K/W………………………………………………………………………………………………………..（1）

   表3  传统胶水导热系数、厚度和热阻增加值

1. XK-D12L产品的厚度与热阻评估

   我们再看D系产品导热结构胶的技术状态。

   如图4所示，与传统胶水不同的是，D系产品导热结构胶除了基料不同外，还添加了导热粉体，在其中存在直径为d_max的最da颗粒和加权平均粒径的差异。

   1）XK-D12L最jia胶层厚度的确定

   如图5所示，该图是我们采用激光粒度仪测试的一种典型导热粉体的粒径分布。从图5看到，其中粉体的最da粒径d_max=250微米，也就是0.25mm。这就决定了导热结构胶的最小应用厚度必须大于0.25 mm，否则金属板之间会产生巨大的机械干涉回弹应力，这是必须避免的。

      根据我司配方优化《模拟设计与模拟测试》软件输出的结果，导热粉体颗粒之间的表面平均距离为6.6微米，取其25倍则为0.17mm。

   所以，为了避免机械干涉回弹应力，则：

   XK-D12L最jia胶层厚度应为0.17 +d_max= 0.42 mm。

   采用相同方法可以确定XK-D20L、XK-D30L的最jia胶层厚度分别为0.48mm、0.55mm，见表4。

   2）D系导热结构胶热阻增加值的确定

   D系导热结构胶热粘结层热阻增加值，按方程（1）计算，结果见表4。

表4  D系导热结构胶的导热系数、厚度和热阻增加值

1. 评价导热结构胶厚度与老化性能的关系

   1982-1985年间，在航tian部部属“复合固体推进剂老化研究”^[1]项目中，已经做过深入的定量实测研究，结果表明：当厚度或长度大于直径时，直径的增加有助于减缓材料的物理老化和化学老化，可延长服役寿命；当直径大于厚度或长度时，厚度或长度的增加有助于减缓材料的物理老化和化学老化，也可延长服役寿命。

   这个结论是原理性的，同样适用于对导热结构胶的老化判断，至今未遇到反例。

   2019-2020年间，在与中国科学院高能物理研究所合作的“XK-P20和XK-P40高聚物基绝缘导热材料--长期服役可靠性预测实验研究”^[2，3]项目中，再一次定量实测验证了：当直径大于厚度时且直径一定时，夹心饼干结构试样厚度的增加，对于内部低分子物的迁移挥发有抑制作用，即有助于减缓材料的物理老化和化学老化；外界迁移、渗入的低分子物总量，虽然与试样厚度成正比，但是浓度的变化速度不随厚度而变化。

   这个结论同样适用于对导热结构胶的老化判断。

   市面有人认为，直径大于厚度且直径一定时的夹心饼干结构试样，当厚度增加时会加速老化的说法是得不到数据支持的。

   4.  结论：

   4.1 当D系导热结构胶的粘结层厚度为0.42～0.55时，与厚度为0.16 mm的传统胶水相比，其阻增加值仅有传统胶水热阻增加值的(25～42)%，D系导热结构胶明显优于传统胶水。

   4.2 市面有人认为，直径大于厚度且直径一定时的夹心饼干结构试样，当厚度增加时会加速老化的说法是得不到数据支持的。

   [1] 肖扬华，  “叔丁基二茂铁的迁移挥发及其对燃速的影响”，1984年9月在北海舰队司令部（大 连）中国宇航学会上宣读，刊登于核心刊物《推进技术》，1985，6 (2)：49-60。

   [2] 肖扬华 等，“XK-P20和XK-P40高聚物基绝缘导热材料 长期服役可靠性预测实验研究报告”，2020年10月31日，内部研究报告，GLPOLY研发中心、中国科学院高能物理研究所。

   [3] 肖扬华 等，“XK-S20高聚物基绝缘导热材料 长期服役可靠性预测实验研究报告”，2020年05月26日，内部研究报告，GLPOLY研发中心。