环氧树脂是一种多功能聚合物体系,是电气、电子和微电子系统的“首选材料”,特别是在需要杰出电气绝缘性能的应用场合。它们的广泛使用是由于它们对各种基材的优异附着力,卓越的化学和耐热性,以及长期耐用性。它们适用于粘接,密封,涂层和封装/灌封应用。

电绝缘胶粘剂有助于防止许多电气和电子系统的短路。

本文主要关注两个方面;首先讨论与环氧树脂有关的电绝缘性能。另一种方法是根据体系的化学性质(特别是固化剂的作用)以及应用的操作条件来研究这些性质的变化。

固化前,环氧树脂由树脂和固化剂组成,当它们混合时,聚合并形成固化的基体。有许多不同类型的环氧树脂和固化剂。当它们结合在一起时,会产生不同的交联模式,从而导致聚合体系的不同属性。固化剂的选择不仅取决于所需的电绝缘值,还取决于其他参数,如操作温度、耐化学性和物理强度要求等。选择硬化剂的另一个考虑因素是评估其加工能力和限制条件。我们将从讨论一些基本的电绝缘特性开始,即介电常数、耗散系数、介电强度和体积电阻率。然后,我们将把这些值与加工过程中获得的各种固化剂的最终性能联系起来,这些固化剂包括脂肪胺、聚酰胺、环脂肪胺、芳香胺、酸酐、路易斯酸和咪唑。

介电常数

介电常数也被称为相对介电常数,它表明材料在电场作用下储存电能的能力。它是一个无量纲数,定义为一种材料的介电常数与一种真空的介电常数之比。在真空中,介电常数是测量由于施加电压而存储的电能。一般来说,低值(2-5)的环氧树脂和其他材料用于电气绝缘体,尽管在某些应用中,中等介电常数(6-12)是必需的。

固化剂组

测量固体电绝缘材料介电常数的标准试验方法是ASTM D150。它包括将材料的样品放在两个电容板之间,并测量产生的电容——存储电荷的能力。然后将其与在空气或真空之间的相同板的电容进行比较。由此得到的比率就是材料的介电常数。

对于固化的环氧树脂体系,介电常数随温度、频率和填料而变化。例如,一个特定的系统可能有介电常数随温度(3.46 23°C, 3.55在100°C,和4.24在150°C) 60 Hz应用程序,但随温度波动(3.28 23°C, 2.99在100°C,和3.87在150°C) 1-KHz应用程序。一般情况下,但并非总是如此,介电常数随温度升高而升高,随频率升高而降低。本质上,环氧树脂在较高的温度下会失去一些绝缘性能,但在较高的频率下表现出更好的绝缘性能。矿物填料颗粒的加入对某一特定环氧体系的介电常数略有提高,而金属填料的加入对介电常数的影响更为显著。

耗散因子

耗散系数(DF)是材料在交变电场作用下的功率损失的量度。根据ASTM D150标准,DF是耗散的功率与应用功率的比率。(另一个标准,ASTM D2520,推荐用于表征微波频率下的DF。)一个较低的DF是可取的,以减少材料的加热和尽量减少对周围电路的影响。耗散系数是测量材料其他特性的一种非常有用的方法,如固化程度、空隙、水分含量和污染。随着时间的推移,当作业条件对固化系统过于苛刻时,DF会发生显著变化。

在1 KHz时,DF通常为0.003至0.030,在1 MHz时高达0.050。在环境温度下,DF(在大多数情况下)随着频率的增加而增加。随着温度的升高,对DF的影响随工作频率和特定化学成分的不同而变化很大。例如,在1khz时,当温度从环境温度上升到125°C时,特定系统的耗散系数从大约0.02下降到小于0.01,此时DF急剧上升,接近0.8。对于同样的系统,在8.5 × 109 Hz, DF从0.02缓慢上升,然后随着温度的升高稳定在0.05以下。

矿物填料的总体效果是一定程度上增加DF,尽管这种变化的程度高度依赖于温度和频率。对于金属填料,DF大大增加。

绝缘强度

评估环氧树脂隔离性能的另一个重要标准是介电强度,这通常表示为伏特/密尔(1密尔= 0.001英寸)。这被定义为在不引起介质击穿的情况下,可施加在材料样品上的最大电压。材料在介质击穿时的电阻迅速降低,并成为导电材料。

ASTM D149是用于确定理论介电强度的标准试验。该测试方法包括将材料样品置于水中或油中的两个电极之间,并在电极之间施加电压。然后电压以匀速从零增加到材料出现穿透性刺穿或开始分解的那一点。由此产生的击穿电压除以样品厚度得到本征介电强度。数值越高,说明电绝缘性能越好。

在实践中,介电强度高度依赖于材料的厚度,越薄的样品单位厚度值越大。例如,对于0.010"的样品,环氧树脂系统的介电强度值可能高达2000伏/密尔,对于0.125"的样品,介电强度值逐渐降低到大约425-475伏/密尔。较厚的部分往往保持这个介电强度值约425-475伏特/mil在环境温度。因此,评估环氧树脂介电强度的主要因素之一是非常精确地说明所使用的测试方法,因为它与固化环氧树脂的厚度有关。介电强度一般随操作温度或频率的增加而降低。由于介电强度依赖于应用,因此验证环氧树脂的特定用途的介电强度是很重要的,特别是那些涉及高电流的。

大多数非导电矿物填料对环氧树脂的介电强度影响不大,金属填料的介电强度随填料性质和填料载量的不同而降低。

表面和体积电阻率

电阻率是材料抵抗施加的电压,温度和时间规定的条件下的电流的通道的能力。表面电阻率,用欧姆表示,表征沿材料表面的泄漏电流的电阻,而体积电阻,在欧姆 - 厘米表示,通过材料的主体测量到的泄漏电流的电阻。ASTM D257是用于绝缘材料测量体积电阻率的广泛使用的标准。

对于未填充的环氧树脂,体积电阻率在25°C时通常超过1012欧姆-cm。大多数矿物填料对体积电阻率的影响不大,而某些金属填料会降低体积电阻率。含有大量金属填料(如银)的环氧树脂是优良的导电体。其他金属填料,如不锈钢,会降低体积电阻率,但不会将环氧树脂转变为导体。

添加温度对环氧树脂有趣的效果。当环氧为绝缘体时,增加热量使体积电阻率的降低。然而,添加到热导电环氧树脂提高体积电阻率,即会导致降低导电性。

固化剂的选择及其对电性能的影响

如前所述,树脂和固化剂的具体组成对固化的环氧体系的性能有深刻的影响。我们将引用树脂为“标准型”双酚a。环氧树脂有三种主要的固化剂:胺(最常见的),酸酐和催化体系(路易斯酸,典型的三氟化硼和咪唑等)。每一组都有不同的电气绝缘特性。这些参数与它们的处理和处理参数一起考虑。

从历史和功能上来说,脂肪族胺是最重要的一类。它们粘度较低,在室温下易于固化,有些还可在高达130°C的连续工作温度下使用。它们广泛应用于各种粘接、密封和灌封应用,并具有出色的电气绝缘性能。此外,它们的耐化学性和物理强度性能也很好。这些脂肪族胺的混合比例往往是不均匀的(例如:100:12),而且不像其他胺系统那么宽容。虽然它们在薄片中固化得很好,但它们通常是放热的,通常不会超过1 / 4英寸的厚度。

第二类胺是高分子量胺加合物(胺基胺)-最常见的是聚酰胺固化剂。这些固化剂在室温下容易固化,但粘度往往较高。它们的混合比率是非常宽容和用户友好的(1:1的混合比率是相当普遍的这类)。在电气绝缘性能方面,它们是最好的室温固化系统之一。然而,该体系的耐温性不如脂肪系的同类产品高。它们通常可连续使用环境温度至100°C左右。聚酰胺在环境温度下具有非常低的介电常数和其他优异的电绝缘值。它们通常不放热,易于固化,厚度可达2英寸。事实上,这类材料中有一组放热极低,可以固化到5-6英寸厚。另一个有趣的特点是它使固化体系具有一定的韧性。

胺的另一个重要群体是脂环胺。像其他胺类,它们有很好的电绝缘性能。设有一个低到适中的粘度和室温下固化,热通常被添加来优化其固化性能。然而,所需要的热量是不是特别高(70-100℃)。它们既超越聚酰胺和脂族胺在它们的温度和耐化学性方面,与一些系统是可维修的高达150℃连续地进行。脂环族胺具有比脂族胺更宽容的混合比,但比不上聚酰胺。他们改变的温升,但往往是下侧。有许多不同的脂环族胺是可商购的与每一个呈现稍微不同的电绝缘轮廓,尽管所有提供相对良好的绝缘值。

芳香族胺是高温和耐化学性应用的主流。它们需要比目前讨论过的其他胺类更高的固化温度。通常,它们需要在120-150°C固化,后固化在150-200°C,在室温下粘度低至中等。虽然一些芳香胺在环境温度下的电气绝缘值可能比其他胺略低,但它们在这方面仍然非常强劲,并被广泛使用,主要是因为它们的化学和耐温度特性。大多数都可以连续工作到200°C左右的温度。他们有一个非常低的放热,工作寿命数天,并非常适合较大的铸件。它们的混合比例通常比1:1或2:1更为复杂;然而,他们本质上是宽容的。

固化剂的第二个主要类别是酸酐,有时也被称为酸酐。所有的主要群体,他们的主要应用是用于灌装,封装。事实上,它们是因为它们卓越的电气绝缘性能为主。实际上,然而,酸酐需要大量的热量用于与120-150℃下进行8-12小时固化时间,接着后固化,以优化某些这些性能的交联。他们是粘度低,具有极低的放热,在室温下,在许多情况下,工作寿命延长数周。最有精致的耐热性和其它优异的物理强度性能,如拉伸强度和模量等

催化系统形成第三组的固化剂。他们是在单,双组分系统可用。路易斯酸系统,主要硼三氟化物,可有效用于涉及更快的固化要求和优异的耐温性的应用程序。该组往往是放热的,并且在两部分体系中使用时,它们的混合比是有点更具限制性。当作为单部分系统中使用,但它们也放热以及需要高温固化(150℃)。对于单部分系统的主要应用是浸渍,但可以容易地配制成用于灌封/封装类型的应用程序。

Imidizoles通常分为催化系统,虽然他们不是路易斯酸。很长的打开时间>在室温下12小时,还配备了适中的粘度和出色的温度和耐化学性。他们需要适度的温度下固化(80-120°C)。混合比通常是不均匀的(例如,100:5),但比其它胺更宽容。如同其他催化系统,imidizoles倾向于降低伸长率和较高的模量的值赋予固化的实体。它们主要用于粘接和密封的应用,并且还可以与其它固化剂一起使用,以提高耐热性分布。讨论的固化剂组的总结可在表中找到。

结论

环氧树脂广泛用于粘接,密封,涂层,灌封和封装应用。正如本文所论证的,所有的环氧树脂体系都是本质上良好的绝缘体,特别是当通过介电强度、体积电阻率、介电常数和耗散系数来评估时。它们是杰出的电绝缘体;然而,根据使用的固化剂的种类,电性能有细微的差别。最终,固化剂的选择取决于环氧树脂将经历的操作条件和应用本身所决定的加工限制。

本文由新泽西州哈肯萨克的邦德大师撰稿。有关更多信息,请单击在这里


NASA科金宝搏官网技简报杂志

本文首先出现在2014年11月的问题NASA技金宝搏官网术简介杂志。

阅读更多本期文章这里

阅读更多的档案文章这里