纳米石墨烯陶瓷辐射涂料在电机控制器上的应用研究

＊王刚 李韦韦 曹蕾 潘栋杰

（江苏江南烯元石墨烯科技有限公司 江苏 213149）

在电动车辆中，电机控制器的功能是根据档位、油门、刹车等指令，将动力电池所储存的电能转化为驱动电机所需的电能来控制电动车辆的启动运行、进退速度、爬坡力度等行驶状态，它是电动车辆的关键零部件之一[1]。

当控制器自身温度超过一定温度后，自动降低输出电流，并有最高温度限值保护。一般来说在电动车负荷过大或者爬坡时候，控制器输出电流过大，导致内部温度过高，一旦超过温度限值，会使电动车输出效率大大下降，因此，控制器的经济快速散热方式成为难题。

传统的电子元件为了散热通常加装金属散热翅片，但是金属表面的热辐射系数很低，在对流狭小的空间，辐射散热成为主导，通过涂层技术改善金属表面的热辐射效率，是提高金属材料散热性能的重要途径[2-7]。

文献表明涂层技术包括阳极氧化和喷涂散热涂料[8-13]。散热涂料以施工简便、价格低廉、不受材料限制被广泛关注。传统辐射填料包括纳米碳球、碳纳米管、石墨、碳化硅等。相关文献表明超细化、纳米化的物质能有效降低物质折射系数，从而增强物体的发射率[14-15]。

石墨烯的制备方法主要包括化学法和物理超声剥离法。化学法制备的石墨烯片层薄，但片层结构破坏较大，使得热阻增大散热效果不佳。物理超声剥离法是先将少量膨胀石墨分散在相应的溶剂中，利用超声波能量来破坏石墨的层间作用力，使溶剂插入到石墨层间进行剥离制备，从而得到石墨烯微片[16]，但此种方法制备的粉体，粒径偏大，片厚较大，使得粉体在树脂中的分散不良，导致涂层连续性和致密性不佳也会导致散热性能的降低，因此，如何制备出既保持完整石墨烯片层结构和纳米尺度的粉体成为了关键问题。本论文以制备纳米片径和厚度薄的石墨烯为核心，通过均质和砂磨技术，利用多级分选工艺制备了纳米石墨烯；基于环保和提高耐温性及增加热辐射系数为目的，我们选用水性纳米陶瓷树脂为粘结剂制备了高辐射、高导热的辐射涂料。水性陶瓷涂料的主结构为硅氧烷、二氧化硅、纳米铝等为原料，并以醇水为溶剂的无机纳米聚合物。其主要是由硅氧键所组成（-O-Si-O-）。硅氧键的键结能远大于有机树脂中的含碳键结，如碳氧键（-C-O-）、碳碳键（-C-C-）、碳氢键（-C-H-），所以能产生更优异的耐化性、耐溶剂性、耐热性（600～1200℃）、高硬度（6～8H）及耐磨性。这些性能在电动车装机试验中也进一步得到了验证。

1.实验部分

(1)原材料及设备

自制纳米石墨烯；PVP、CMC（国药）；水性陶瓷树脂（广东佛山绿之树新材料科技有限公司）；均质机（苏州安拓思科技）；砂磨机（常州固堡科技）；真空行星搅拌机（无锡智彤缘丰科技）；盐田W-71C喷枪；激光粒度仪（丹东百特）。

(2)纳米石墨烯及辐射涂料的制备

①纳米石墨烯的制备方法

称取一定量的膨胀石墨微片，加入高速分散机中，定量加入水和PVP，搅拌均匀后将液体泵入均质机，随后将产物通过隔膜泵抽入砂磨机进行砂磨，最后通过高压过滤去除大片径颗粒，将收集的溶液进行压滤处理，得到固含约为16%的滤饼待用。

②辐射涂料的制备方法

称取20kg水性陶瓷树脂（固含25%）和8kg石墨烯滤饼（16%）在真空行星搅拌机中进行中速混合，经过滤机出料得到灰黑色均匀液体。

(3)测定与表征

使用场发射扫描电镜（Navo Nano SEM450）进行样品的表面形貌和微结构表征；使用原子力显微镜（Dimension Edge）进行纳米尺度材料表面形貌及粗糙度分析；使用激光拉曼光谱仪（inVia Reflex）进行化合物拉曼特征鉴定；使用激光热导仪（LFA467）进行薄膜的导热系数、热扩散系数测试。

①导热样品的制备

在干净的PET表面喷涂辐射涂料制备成黑膜样品，用适当工具裁取一片直径约25.4mm的正圆形样品采用千分尺或数显测厚仪准确测量样品的厚度将样品放入In-Plane支架，再将支架放入25.4mm圆形标准支架中，放入仪器待测制样时全程佩戴手套，以防双手表面的汗液或油污沾染到样品表面，造成测试结果的偏差。保证样品不褶皱卷曲、表面没有划痕，边缘无过多毛刺。

②电机控制器表面喷涂处理

选用科幻公司的18管1000W的电机控制器，样品喷涂用手动喷枪进行。喷涂前需出料均匀，雾化良好。喷头距离基板约200mm，从左至右均匀扫过。保证涂料在基板上实现良好遮盖。湿膜厚度约60μm，干膜厚度约10μm。喷涂后应静置1min后再进行烘烤，实现更好的涂层平整度，并防止起泡。固化方式：180℃烘烤10min，烤干后，再经过250℃烘烤20min即可。为了方便对比此款辐射涂料的散热效果，我们选取苏州砥创公司的油性环氧石墨烯（D50为7μm）散热涂料做对比，对比样品记为B-油性石墨烯，本文辐射涂料记为C-纳米石墨烯。

2.结果与讨论

(1)纳米石墨烯结构表征

表1 纳米石墨烯的粒度表征

图1为制备的纳米石墨烯扫描电镜照片，图中表明石墨烯宏观尺寸大都集中在纳米尺寸，且均为平整薄片，通过激光粒度仪测定粉体的粒度，如表1所示，粉体的D50为0.743μm，与SEM数据吻合，可以看出制备的石墨烯符合纳米尺寸要求。

图2为制备的纳米石墨烯的拉曼表征，从图中可知，位于1600cm-1附近的G峰，以及2700cm-1左右的2D峰为特征峰，在1350cm-1出现的缺陷特征D峰，表明所制备的石墨烯含有少量缺陷。

图2 纳米石墨烯的拉曼表征

图3 纳米石墨烯的AFM表征

表2 辐射涂料涂层的水平导热系数测试

表3 辐射涂料涂层的纵向导热系数测试

图3为制备的纳米石墨烯的AFM表征。从图中能看出粉体具有宏观尺寸上的纳米片径，以及厚度上的纳米尺寸，通过测量其厚度，分析得出厚度大约在1.5～2nm之间，属于少层石墨烯。

(2)辐射涂料的导热系数测试

表2和表3为辐射涂料涂层利用激光导热仪测得的导热系数，其中水平导热系数平均值为11.5W/(m·K)左右，纵向导热系数平均值为4W/(m·K)左右。

(3)辐射涂料的性能指标

如表4所示，所制备的辐射涂料突出的性能包括高红外辐射率，硬度以及耐温性，传统的有机树脂长期耐温不能大于250℃，限制了辐射涂料的应用范围，应用陶瓷树脂的辐射涂料可应用在包括加热PTC取暖器、温度大于300℃的环境中长期使用。

表4 辐射涂料的性能指标

(4)辐射涂料在电机控制器的实例应用

为了测试辐射涂料的真实散热效果，我们选用科幻公司的18管1000W的电机控制器（图4）进行喷涂，并由厂家进行电动车装载实测。为了对比效果，选定了不喷涂辐射涂料的A-空白样，喷涂其他厂家油性散热涂料的B-油性石墨烯做对比，实验参数为：环境温度5℃，MOS管（SKD502T），电源为60V，电流38.5A，外加负载800。实验的真实数据（部分）如表5、表6、表7所示。

图4 电机控制器实图

表5 A-空白电机控制器导热温度测试

由表8可以看出，从加载负载直至电机控制器腔内到达80℃的时间长短来判断辐射涂料的散热优劣，空白电机控制器60min达到温度限值，对比厂家油性环氧散热涂料75min到达温度限值，纳米石墨烯陶瓷辐射涂料165min到达温度限值，散热性能超过一倍多。纳米石墨烯陶瓷辐射涂料之所以性能突出，主要原因有两点，一是将原有微米尺寸的石墨烯纳米化，降低了填料的粒径尺度，增加了表面积，从而发射率相对提高[17-20]，而且将此粉体与水性陶瓷树脂结合，利用陶瓷树脂本身具备的辐射能力，不会弱化整体涂料的性能。二是对比油性环氧树脂，固含高，喷涂厚度大，使得散热效果不佳，而陶瓷辐射涂料由于固含低，喷涂厚度比较薄，在满足漆面的要求下更容易体现散热效果。

表6 B-油性石墨烯电机控制器导热温度测试

表7 C-纳米石墨烯电机控制器导热温度测试

表8 三种样品升温至80℃时间

3.结语

辐射散热涂料是一种对热辐射具有很高发射率或吸收率的功能型节能材料，能够强化热源与受热面或受热体之间的辐射热交换，以达到提高热利用率及节能的目的。辐射散热涂料具备良好的热稳定性和化学稳定性，并能够与金属或陶瓷基体高强度的结合。除此之外，良好的绝缘性、防腐性、防水性、抗酸碱性使它成为国内外普遍认可的一种重要的节能技术和产品[21]。石墨烯是辐射涂料的理想材料之一，但真正利用石墨烯的平面特性及高导热率是研究者的难点。本文以制备纳米尺寸的石墨烯为核心，充分结合水性陶瓷涂料的环保型、耐温性、适用性及高辐射率等优点，将辐射涂料在电机控制器的散热问题上进一步得到了提升，该辐射涂料以辐射能力强、涂层薄、热阻小为显著特征，可以激发金属散热器表面的共振效应，显著提高远红外发射率，加快热量从散热器表面的散发[22]，为今后以辐射散热的应用领域提供了经济的解决方案。