硅酸盐无机胶黏剂的粘结和绝缘性能.pdf

第卷 第期 年月 材料研究学报 硅酸盐无机胶釉剂的粘结和绝缘性能 赵宇航段德莉张月来王 鹏李 曙 中国科学院金属研究所 沈阳 摘 要制备了不同成分配比的耐高温硅酸盐胶毅剂 用体视显微镜 扫描电镜观察胶体的形貌 用低载荷拉伸试验机测试其粘结 力 并分析试样在高温条件 下及饱和水 蒸汽环境中的 绝缘 性能 结果表明 随着硅 酸盐胶茹剂的 液相组分中模数比 变小 固相粉末粒度分布范 围变宽及液固相质量比的适 当调节 其粘结强度均有较大的提升 胶私剂绝缘 的性能随着温度的升高而 恶化并存在绝缘电阻大幅下降的临界温度 碱金属离子含量的增加降低其临界温度并加快其下降趋势在饱和水蒸气环境中胶勃 剂绝缘性能普遍降低 对固化后的胶体进行高温热处理使其绝缘性能有较大提升 但碱金属离子含量和胶体微观裂纹会降低其绝缘 性能 关键词无机非金属材料 硅酸盐胶私剂 粘结强度 绝缘性能 模数比 分类号文章编号一一 从 几 二 乞 乞 印 一 勿一 一 多晶复合系无机胶孰剂具有陶瓷结构 一般 由高 模数 比的胶体溶液与固态难熔粉末构成 具有耐高温 达 抗氧化 耐磨损等特点 广泛地 应用于各种金属及陶瓷类零部件的耐高温连接与密 封 作为无机胶豁剂重要分支的硅酸盐类胶豁剂 在电气元件中可用于与金属部分的粘结 但是硅酸盐 胶勃剂在高温下较低的介电性以及在潮湿环境下绝 缘性能的下降 极大地影响电气元件元件的可靠性 调节硅酸盐类无机胶勃剂的液相组分可改善其绝缘 性能 但却降低其粘结强度 寻求一种能够满足一定 力学性能要求并在特殊工况下具有 良好绝缘性能的 胶豁剂组分 是解决问题的关键 一 本文制备在一 定使用条件下力学性能和绝缘性能都较佳的胶豁剂 研究其抗拉断性能和高温绝缘性能的变化规律 实验方法 年月日收到初稿 年月日收到修改稿 本文联系人 段德莉 硅酸盐胶钻剂的制备 实验用材料粉末分析纯 硅酸钾溶液 模数比浓度和碱性硅溶胶溶 液 模数比浓度 配制硅酸盐胶勃剂 需要不同尺寸粉末构 668 材料研究学报 卷 成的固态充填物 硅酸钾溶液 碱性硅溶胶溶液和其 它液相 按设计的粒径和质量 比配制固态充填物粉 末 其构成列于表 将各尺寸的粉末均在 马 弗炉中锻烧 其它液相的制备 先将硅酸钾溶液倒入反应容器 中 在一 数显恒温磁力搅拌器高速搅拌下按质量 配比 表滴加碱性硅溶胶溶液 再将体系在 搅拌 即得到所需的混合溶液 表中碱金属 离子的含量用模数比表征 模数比高 者碱金属离子含量低 按硅酸盐胶乳剂的液相与固相的质量比表 配料并混合调匀 配制出不同编号的胶戮剂样品 然 后将其固化 室温放置后在干燥箱内 各保温 随炉冷却 即得到胶戮剂 硅酸盐胶钻剂的表征 用体视显微镜和扫描电镜观察胶体外观形貌 在 拉伸试验机上进行力学性能测试 将 制 备 出 的 硅 酸 盐 胶 赫 剂 将 试 样 装 入 马弗炉 分别升至 升温速率为 在各温度下维 持 通过外引线用一 型绝缘电阻表测量试 样在下的绝缘电阻值 将蒸馏水装入保湿玻璃皿的下部 将试样置于蒸 馏水上方的带孔隔板上 使试样处于饱和水蒸气环 境中 用一 型绝缘电阻表测量试样的绝缘电阻 随时间的变化 试样包括分别在 氏 高温热处理的和未经热处理的 结果与讨论 胶钻剂的形貌和粘结性能 表给出了对胶猫剂固化后的外观形貌描述 样 品 一 的胶戮剂液相组分中模数比小 即 含有较多的碱金属离子 且固态粉末尺寸大小配合 粘结性较好 同 胶体表面平整且无裂纹缝隙样品 于的液相组分仅为碱性硅溶胶溶液 碱金属离子 表固态粉末的构成 口 刀 刀 刀 表各液相组分构成 留 韶 留 为 表样品编号和液固相质量比 韶 就 十 十 十 十 十 十 十 十 十 6 期赵宇航等 硅酸盐无机胶豁剂的粘结和绝缘性能 表试样的外观形貌 爪 了 浓度很低 同时添加的固态粉末尺寸较为单一 导致 固化时出现胶体收缩及破损等现象样品 的液 相组分虽然也是碱性硅溶胶溶液 但尺寸配合的固态 粉末对粘结性有所改善 其中样品添加了纳米粉 末 表现出更好的粘结性状 当胶翻剂在被粘基材上进行固化反应时 从液相 中析出高活性胶体颗粒 与基材发生粘结并包 裹填充的固体粉末 形成致密的空间网状结构 分布 在其中的碱金属离子发挥增强作用 从而提高粘结 强度 在胶赫剂固态粉末构成和液相组分 模数比相同的条件下 试样的拉断力随着液固质量 比 的不同而变化 见图中的样品 由于液固比 较高 样品固化后胶体出现蜂窝状孔洞 图 使 其与基材的有效粘结面积减少 抗拉性能有所降低 样品的液固比较低 胶体内析出的活性大多 与固态粉末粘结 与基材表面的作用减少 胶体的内 聚强度高于与基材表面的粘结强度 拉开后胶体外观 保持完整而与基材无明显的粘结痕迹图 抗拉 性能下降样品的内外粘结强度都较高 以至在拉 伸过程中胶体破损图 可观察到胶体与基材的 粘结痕迹 其相应的拉断力也最高 由图中样品 的结果可知 在液固 质量比和固态粉末构成相同的条件下 随着液相组分 中模数比的依次上升 其拉断力存在梯度 下降现象 这缘于碱金属离子含量的递减 样品一 的液相为高模数比的碱性硅溶胶溶液 不仅碱金属离 子含量低 而且为单一尺寸的固态粉末 在拉伸试验 中由于粘结强度过低而未获得有意义的拉断力数据 虽然样品 的液相也是高模数比的 却具有一定 的拉断力 这与其粒径大小配合的固态粉末在胶体中 形成错落交叉的分布 冈 有关另外 在样品中加 入的纳米颗粒与析出的活性共同作用 弥补了 碱金属离子少的不足 在一定程度上提高了胶勃剂的 粘结强度 高温绝缘性能 图给出了相同液固质量比和固态粉末构成的 几种胶乳剂 样品 在不同温度下测得 的绝缘电阻 由图可 见 随着温度的升高 胶豁剂 的绝缘性能恶化且存在绝缘电阻突降的临界温度 随 着液相组分模数比的增大 试样的临界温 度提高 其中样品 的临界温度低于 在 匕六 一比 图胶豁剂的拉 伸性能和样品 的粘结断面形貌 6 70 材料研究学报 卷 时绝缘 电阻几乎已达最低样品 的临界 温度低于 到 时绝缘电阻大幅下降由 于胶体内碱金属离子的含量最少 样品在 时 仍保持 良好的绝缘性 在高温 时其绝缘值还保 持在几左右 此外 所有样品在高温试验后 常 温绝缘值均能够恢复到几 胶戮剂中游离碱金属离子的含量 是影响试样绝 缘 电阻随温度变化趋势的主要因素 电介质类固 体材料的电阻率 二 口 田滋上 尸一 七 几秒 知 所有样品的电阻值都随着实验时间的延长而明 显下降 从 实验初期间到 未经热处理和在 热处理的各样品电阻值基本 已降至于 在内 在更高温度热处理的样品电阻值也全 部降至几以下 其中在 热处理的样品 的下降趋势相对较缓 实验进行后 各样品的电阻下降趋势均 变得较为平缓随着热处理温度的升高 各样品电阻 值曲线的排列顺序也依次升高 实验进行到 时 样 品 在 热处理后的绝缘 电阻仍达到 几左右 为各样品中的最大值 另外 液相组分 中模数 比的高低也影响饱和水蒸气环境 中试样绝缘性能 其中模数 比最低的样品在高温热 处理后其绝缘性较其他样品改善最少 表明碱金属离 伞伞 一 一 一大布爪一 旦旦 一一认 址 月 乏以 比 式中为材料电阻 为绝对温度 为波尔兹曼常 数 为离子振动频率 为离子浓度 占为离子与相 邻位置距离 为离子所带 电荷 为离子活化能 由此可见 这类材料的电阻率受温度影响还与离子的 浓度密切相关 随着温度的升高分子运动加剧 电介 质内离子达到活化能几率及离子迁移率增大在温 度升高到一定程度时 电阻率按指数规律急剧下降 这表明 胶体内的离子是通过 自身浓度变化及温度的 间接作用影响胶戮剂电阻值随温度的变化 实验结 果表明 在满足一定力学性能的条件下 应尽量增大 液相组分 中的模数 比 以得到 良好高温绝 缘效果的胶勃剂 在饱和水蒸气环境中的绝缘性能 图给 出了样品 未经热处理 和在 热处理后在饱和水蒸 气环境 中的常温绝缘电阻与时间的关系 从图可 图几种胶赫剂绝缘 电阻随温度的变化 可 一 一训 卜 卜 闷 卜扩 二二未 挤一一 二毅 厂一一一一习习匕匕匕 一 毕石石 咋咋 沁 三 刹 卜声月冶甲州卜 闷闷 幻一 一 气一 一 了了了了 毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕毕 甘甘甘甘甘 户州 一一一一 咯咯咯 户 一 二 二二习 七 二二 二才二二 马马 丫丫丫一一 尸 仰 乏口 叱 一一 卜卜睡 一一 图在饱和水蒸气环境中经不同温度热处理的试样绝缘电阻随时间变化 饰一 672 材料研究学报卷 足 在高温处理时还是 由于热应力等因素而产生了大 量的细密缝隙 图 当试样在高于 温度的热处理后 胶粒 上的活性基团结构发生变化 丧失了对水分子的吸附 作用 使水分子在胶体表面的沉积作用减弱 绝缘 性能有较大提升 但是实验发现 在饱和水蒸汽环境 中水分子仍会随着时间的推移逐渐沉积在经高温热 处理的胶体上造成绝缘下降 通过前文对样品分 析可知 当胶体表面存在大量的微观裂纹时不但水分 子容易聚集且增大了水分子沉积的表面积 随着裂纹 间的相互连接 导致电流并联通路增加 造成整体绝 缘性能下降当试样在 热处理后 活性 胶粒对水分子吸附能力下降 胶体 内裂纹减少 致使胶体表面水分子层的连通几率变小 这两个原 因的共同作用 致使试样的绝缘电阻随着热处理温度 升高有所提高 根据对样品的微观形貌分析 尽管其 模数 比最高 但胶体表面的微观裂纹在高温处 理后有所增加 导致其绝缘性能并不优于其它样品 这些结果说明 在饱和水蒸气环境中液相组分中高模 数 比所促成的胶豁剂表面裂纹对绝缘 电阻值的影响 大于液相组分中碱金属离子含量的影响 综上所述 当胶赫剂液相组分中模数 比较小时其粘结强度较高 但高温及饱和水蒸气下的 绝缘 电阻值较低当液相组分中模数 比较大时高温 下绝缘阻值较高 但过低的粘结强度可能不利于饱和 水蒸气下的绝缘性能 结论 提高硅酸盐胶豁剂的粘结性能的途径为降 低液相组分中模数比 采用含有纳米粒子 的多尺度粉末作为固相组分 选择合适的液固相质量 比 硅酸盐胶赫剂的绝缘性能随着温度升高而恶 化并存在绝缘电阻大幅下降的临界温度 碱金属离子 严重影响其临界温度和下降趋势 在饱和水蒸气环境中硅酸盐胶赫剂的绝缘性 能随时间延长普遍降低 对固化后的胶体进行高温热 处理可以改善其绝缘性能影响胶体绝缘的主要因 素 在低模数比时是碱金属离子含量 在 高模数 比时是热处理促成的胶体表面裂纹 参 考文 献 二坛 瓦 亡乞 玩 二 印