浅论新能源动力电池包导热结构胶最适宜厚度的确定原则

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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？

• 引用数据
  表1   导热结构胶导热系数和密度
  
  

    

型号

      

XK-D12L

      

XK-D20L

      

XK-D30L

  
    

导热系数     

                               
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，W/(m.K)

      

1.2

      

2.0

      

3.0

  
    

密度              

                               
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，g/cm3

      

2.2

      

2.49

      

2.85

  

表2  传统胶水导热系数和密度

    

型号

      

隐名A

      

隐名B

      

隐名C

  
    

导热系数     

                               
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，W/(m.K)

      

0.19

      

0.21

      

0.23

  
    

密度              

                               
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，g/cm3

      

1.0

      

1.05

      

1.1

  

• 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。
  
  

• 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0.10mm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。
  
  

    

                               
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图1  点胶

      

                               
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图2  压合并固化

      

                               
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图3 卸压后的永久回弹应力

      

  

• 导热板；
• 传统胶水；
  3—水冷板。
  2）传统胶水热阻增加值的确定
  传统胶水粘结层热阻增加值，按方程（1）计算，结果见表3。
  
                                 
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  ，m2K/W………………………………………………………………………………………………………..（1）
  表3  传统胶水导热系数、厚度和热阻增加值
  
  

    

型号

      

隐名A

      

隐名B

      

隐名C

  
    

导热系数      

                               
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，W/(m.K)

      

0.19

      

0.21

      

0.23

  
    

推荐最jia厚度   

                               
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，mm

      

0.16

      

0.16

      

0.16

  
    

热阻增加值     

                               
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，m2K/W

      

0.00084

      

0.00076

      

0.00070

  

• 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dmax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dmax=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 +dmax=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。
    
  
                                 
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  图4  D系产品导热结构胶
  • 导热板
  • D系产品导热结构胶
  • 水冷板。
    
    
  
  
  
  
  
  图5   最da粒径达250微米

  
                                 
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表4  D系导热结构胶的导热系数、厚度和热阻增加值

    

型号

      

隐名A

      

隐名B

      

隐名C

  
    

导热系数      

                               
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，W/(m.K)

      

1.2

      

2.0

      

3.0

  
    

推荐最jia厚度   

                               
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，mm

      

0.42

      

0.48

      

0.55

  
    

热阻增加值     

                               
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，m2K/W

      

0.00035

      

0.00024

      

0.00018

  

• 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。