Теплопроводность гетерогенных полимерных композитных материалов, наполненных микро- и наноразмерными неорганическими частицами
Ключевые слова:
полимерные композитные материалы, пропиточный электроизоляционный лак, электроизоляционная лента, микро- и наноразмерные неорганические частицы, теплопроводность материалов
Аннотация
В статье представлены результаты исследований теплопроводности гетерогенных полимерных композитных материалов, наполненных микро- и наноразмерными неорганическими частицами в различных концентрациях. Цель исследований – создание высокотеплопроводных электроизоляционных материалов для обмоток электрических машин. В качестве полимерных композитных материалов были использованы электроизоляционный пропиточный лак ЭП-9150 и изоляция на основе электроизоляционной ленты Элмикатерм 52409, в которой в качестве связующего компонента использован пропиточный лак ЭП-9150. Производителем этих материалов является ООО «ХК Элинар». В качестве наполнителя, повышающего теплопроводность полимерного композитного материала, использовались неорганические микроразмерные частицы гексагонального нитрида бора, оксида алюминия и наноразмерные частицы оксида алюминия, которые вводились непосредственно в пропиточный лак при изготовлении образцов. Разработана технология изготовления образцов лака и изоляции. Проведен сравнительный анализ зависимости теплопроводности материалов при варьировании концентрации микро- и наноразмерных частиц и их сочетаний. Определена зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. Проведены структурные исследования образцов материалов. Проведенные исследования позволили выявить технические особенности и представить практические рекомендации для выработки подходов к созданию высокотеплопроводных электроизоляционных материалов.
Литература
1. Ngo I.L., Byon C. Thermal Conductivity of Particle-Filled Polymers. – Materials Science, Engineering, Physics, 2016. pp. 554–565, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.082.
2. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш. Расчетно-экспериментальные исследования эффективной теплопроводности композиционных материалов на основе полимеров. – Мир измерений, 2017, № 3, с. 26–28.
3. Pat. US5681883A. Enhanced Boron Nitride Composition and Polymer Based High Thermal Conductivity Molding Compound / R.F. Hill; S.Ph. DaVanzo, 1996.
4. Маннанов Э.Р. и др. Анализ уровня технических разработок полимерных материалов с высокой теплопроводностью для оценки возможности использования в системах изоляции обмоток турбогенераторов. – Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024, т. 17, № 3, с. 21–35.
5. Tsekmes I.A. et al. Enhancing the Thermal and Electrical Performance of Epoxy Microcomposites with the Addition of Nano-fillers. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2015, vol. 31, No. 3, pp. 32–42, DOI: 10.1109/MEI.2015.7089120.
6. Маннанов Э.Р. О диэлектрических материалах с высокой теплопроводностью для систем электрической изоляции высоковольтных электрических машин: обзор отечественной и зарубежной литературы. – Материаловедение. Энергетика, 2021, т. 27, № 4, с. 42–67.
7. Безбородов А.А. Цобкалло Е.С., Ожегова Т.А. Влияние степени наполнения и структурных особенностей на теплопроводность композиционного материала полипропилен–технический углерод. – Межд. конф. «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2011), 2011, т. 2. с. 135–138.
8. Cahill D.G. et al. Nanoscale Thermal Transport – Journal of Applied Physics, 2003, 93, 793, DOI:10.1063/1.1524305.
9. Lyeo H.-K., Cahill D.G. Thermal Conductance of Interfaces between Highly Dissimilar Materials. – Physical Review B, 2006, 73, DOI: 10.1103/PhysRevB.73.144301.
10. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015, 790 c.
11. Hamilton R.L., Crosser O.K. Thermal Conductivity of Heterogeneous Two Component Systems. – Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1962, vol. 1, No. 3, pp. 187–191, DOI: 10.1021/i160003a005.
12. Morozova M.A., Novopashin S.A. Influence of Interfacial Phenomena on Viscosity and Thermal Conductivity of Nanofluids. – Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2019, 7(2), pp. 151–165, DOI:10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2019031015.
13. Batchelor G.K. Brownian Diffusion of Particles with Hydrodynamic Interaction. – Journal of Fluid Mechanics, 1976, vol. 74(1), DOI: 10.1017/S0022112076001663.
14. Nagatani T. Statistical Theory of Effective Viscosity in a Random Suspension. – Journal of the Physical Society of Japan, 1979, vol. 47, pp. 320–326, DOI: 10.1143/JPSJ.47.320.
15. Bedeaux D., Kapral R., Mazur P. The Effective Shear Viscosity of a Uniform Suspension of Spheres. – Physica A, 1977, 88(1), pp. 88–121, DOI: 10.1016/0378-4371(77)90159-5.
16. Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and Heat Trans fer Study of Dispersed Fluids with Submicron Metallic Oxide Particles. – Experimental Heat Transfer, 1998, vol. 11, No. 2, pp. 151–170, DOI:10.1080/08916159808946559.
17. Namburu P.K. et al. Experimental Investigation of Viscosity and Specific Heat of Silicon Dioxide Nanofluids. – Micro & Nano Letters, 2007, vol. 2, pp. 67–71, DOI:10.1049/mnl:20070037.
18. Рудяк В.Я., Белкин А.А., Егоров В.В. Об эффективной вязкости наносуспензий. – Журнал технической физики, 2009, т. 79, с. 18–25.
19. Биржин А.П., Серебрянников С.В. Производство современных материалов для изоляции электрических машин. – Электричество, 2023, № 8, с. 54–59.
20. Stepanov V.S. et al. Effective Heat Conductivity of Polymeric Composite Materials: The Influence of Component Properties. – St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, 2018, 11 (4), pp. 80–89, DOI: 10.18721/JPM.11408.
21. Папков А.В., Лучко Д.В. Оценка влагостойкости систем изоляции класса нагревостойкости Н (180 °С). – Электричество, 2023, № 11, с. 59–66.
#
1. Ngo I.L., Byon C. Thermal Conductivity of Particle-Filled Polymers. – Materials Science, Engineering, Physics, 2016. pp. 554–565, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.082.
2. Miheev V.A., Sulaberidze V.Sh. Mir izmereniy – in Russ. (Measurement World), 2017, No. 3, pp. 26–28.
3. Pat. US5681883A. Enhanced Boron Nitride Composition and Polymer Based High Thermal Conductivity Molding Compound / R.F. Hill; S.Ph. DaVanzo, 1996.
4. Mannanov E.R. et al. Izvestiya SPbGETU «LETI» – in Russ. (Izvestiya SPbGETU "LETI"), 2024, vol. 17, No. 3, pp. 21–35.
5. Tsekmes I.A. et al. Enhancing the Thermal and Electrical Performance of Epoxy Microcomposites with the Addition of Nanofillers. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2015, vol. 31, No. 3, pp. 32–42, DOI: 10.1109/MEI.2015.7089120.
6. Mannanov E.R. Materialovedenie. Energetika – in Russ. (Ma-terials Science. Power Engineering), 2021, vol. 27, No. 4, pp. 42–67.
7. Bezborodov A.A. Tsobkallo E.S., Ozhegova Т.А. Mezhd. konf. «Fizika dielektrikov» (Dielektriki-2011). – in Russ. (Int. Conf. "Physics of Dielectrics" (Dielectrics-2011)), 2011, vol. 2. pp. 135–138.
8. Cahill D.G. et al. Nanoscale Thermal Transport – Journal of Applied Physics, 2003, 93, 793, DOI:10.1063/1.1524305.
9. Lyeo H.-K., Cahill D.G. Thermal Conductance of Interfaces between Highly Dissimilar Materials. – Physical Review B, 2006, 73, DOI: 10.1103/PhysRevB.73.144301.
10. Dmitriev A.S. Vvedenie v nanoteplofiziku (Introduction to Nanoteplophysics). M.: BINOM. Laboratoriya znaniy, 2015, 790 p.
11. Hamilton R.L., Crosser O.K. Thermal Conductivity of Heterogeneous Two Component Systems. – Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1962, vol. 1, No. 3, pp. 187–191, DOI: 10.1021/i160003a005.
12. Morozova M.A., Novopashin S.A. Influence of Interfacial Phenomena on Viscosity and Thermal Conductivity of Nanofluids. – Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2019, 7(2), pp. 151–165, DOI:10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2019031015.
13. Batchelor G.K. Brownian Diffusion of Particles with Hydrodynamic Interaction. – Journal of Fluid Mechanics, 1976, vol. 74(1), DOI: 10.1017/S0022112076001663.
14. Nagatani T. Statistical Theory of Effective Viscosity in a Random Suspension. – Journal of the Physical Society of Japan, 1979, vol. 47, pp. 320–326, DOI: 10.1143/JPSJ.47.320.
15. Bedeaux D., Kapral R., Mazur P. The Effective Shear Viscosity of a Uniform Suspension of Spheres. – Physica A, 1977, 88(1), pp. 88–121, DOI: 10.1016/0378-4371(77)90159-5.
16. Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and Heat Trans fer Study of Dispersed Fluids with Submicron Metallic Oxide Particles. – Experimental Heat Transfer, 1998, vol. 11, No. 2, pp. 151–170, DOI:10.1080/08916159808946559.
17. Namburu P.K. et al. Experimental Investigation of Viscosity and Specific Heat of Silicon Dioxide Nanofluids. – Micro & Nano Letters, 2007, vol. 2, pp. 67–71, DOI:10.1049/mnl:20070037.
18. Rudyak V.Ya., Belkin A.A., Egorov V.V. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2009, vol. 79, pp. 18–25.
19. Birzhin A.P., Serebryannikov S.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 8, pp. 54–59.
20. Stepanov V.S. et al. Effective Heat Conductivity of Polymeric Composite Materials: The Influence of Component Properties. – St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, 2018, 11 (4), pp. 80–89, DOI: 10.18721/JPM.11408.
21. Papkov A.V., Luchko D.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 59–66.
2. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш. Расчетно-экспериментальные исследования эффективной теплопроводности композиционных материалов на основе полимеров. – Мир измерений, 2017, № 3, с. 26–28.
3. Pat. US5681883A. Enhanced Boron Nitride Composition and Polymer Based High Thermal Conductivity Molding Compound / R.F. Hill; S.Ph. DaVanzo, 1996.
4. Маннанов Э.Р. и др. Анализ уровня технических разработок полимерных материалов с высокой теплопроводностью для оценки возможности использования в системах изоляции обмоток турбогенераторов. – Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024, т. 17, № 3, с. 21–35.
5. Tsekmes I.A. et al. Enhancing the Thermal and Electrical Performance of Epoxy Microcomposites with the Addition of Nano-fillers. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2015, vol. 31, No. 3, pp. 32–42, DOI: 10.1109/MEI.2015.7089120.
6. Маннанов Э.Р. О диэлектрических материалах с высокой теплопроводностью для систем электрической изоляции высоковольтных электрических машин: обзор отечественной и зарубежной литературы. – Материаловедение. Энергетика, 2021, т. 27, № 4, с. 42–67.
7. Безбородов А.А. Цобкалло Е.С., Ожегова Т.А. Влияние степени наполнения и структурных особенностей на теплопроводность композиционного материала полипропилен–технический углерод. – Межд. конф. «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2011), 2011, т. 2. с. 135–138.
8. Cahill D.G. et al. Nanoscale Thermal Transport – Journal of Applied Physics, 2003, 93, 793, DOI:10.1063/1.1524305.
9. Lyeo H.-K., Cahill D.G. Thermal Conductance of Interfaces between Highly Dissimilar Materials. – Physical Review B, 2006, 73, DOI: 10.1103/PhysRevB.73.144301.
10. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015, 790 c.
11. Hamilton R.L., Crosser O.K. Thermal Conductivity of Heterogeneous Two Component Systems. – Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1962, vol. 1, No. 3, pp. 187–191, DOI: 10.1021/i160003a005.
12. Morozova M.A., Novopashin S.A. Influence of Interfacial Phenomena on Viscosity and Thermal Conductivity of Nanofluids. – Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2019, 7(2), pp. 151–165, DOI:10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2019031015.
13. Batchelor G.K. Brownian Diffusion of Particles with Hydrodynamic Interaction. – Journal of Fluid Mechanics, 1976, vol. 74(1), DOI: 10.1017/S0022112076001663.
14. Nagatani T. Statistical Theory of Effective Viscosity in a Random Suspension. – Journal of the Physical Society of Japan, 1979, vol. 47, pp. 320–326, DOI: 10.1143/JPSJ.47.320.
15. Bedeaux D., Kapral R., Mazur P. The Effective Shear Viscosity of a Uniform Suspension of Spheres. – Physica A, 1977, 88(1), pp. 88–121, DOI: 10.1016/0378-4371(77)90159-5.
16. Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and Heat Trans fer Study of Dispersed Fluids with Submicron Metallic Oxide Particles. – Experimental Heat Transfer, 1998, vol. 11, No. 2, pp. 151–170, DOI:10.1080/08916159808946559.
17. Namburu P.K. et al. Experimental Investigation of Viscosity and Specific Heat of Silicon Dioxide Nanofluids. – Micro & Nano Letters, 2007, vol. 2, pp. 67–71, DOI:10.1049/mnl:20070037.
18. Рудяк В.Я., Белкин А.А., Егоров В.В. Об эффективной вязкости наносуспензий. – Журнал технической физики, 2009, т. 79, с. 18–25.
19. Биржин А.П., Серебрянников С.В. Производство современных материалов для изоляции электрических машин. – Электричество, 2023, № 8, с. 54–59.
20. Stepanov V.S. et al. Effective Heat Conductivity of Polymeric Composite Materials: The Influence of Component Properties. – St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, 2018, 11 (4), pp. 80–89, DOI: 10.18721/JPM.11408.
21. Папков А.В., Лучко Д.В. Оценка влагостойкости систем изоляции класса нагревостойкости Н (180 °С). – Электричество, 2023, № 11, с. 59–66.
#
1. Ngo I.L., Byon C. Thermal Conductivity of Particle-Filled Polymers. – Materials Science, Engineering, Physics, 2016. pp. 554–565, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.082.
2. Miheev V.A., Sulaberidze V.Sh. Mir izmereniy – in Russ. (Measurement World), 2017, No. 3, pp. 26–28.
3. Pat. US5681883A. Enhanced Boron Nitride Composition and Polymer Based High Thermal Conductivity Molding Compound / R.F. Hill; S.Ph. DaVanzo, 1996.
4. Mannanov E.R. et al. Izvestiya SPbGETU «LETI» – in Russ. (Izvestiya SPbGETU "LETI"), 2024, vol. 17, No. 3, pp. 21–35.
5. Tsekmes I.A. et al. Enhancing the Thermal and Electrical Performance of Epoxy Microcomposites with the Addition of Nanofillers. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2015, vol. 31, No. 3, pp. 32–42, DOI: 10.1109/MEI.2015.7089120.
6. Mannanov E.R. Materialovedenie. Energetika – in Russ. (Ma-terials Science. Power Engineering), 2021, vol. 27, No. 4, pp. 42–67.
7. Bezborodov A.A. Tsobkallo E.S., Ozhegova Т.А. Mezhd. konf. «Fizika dielektrikov» (Dielektriki-2011). – in Russ. (Int. Conf. "Physics of Dielectrics" (Dielectrics-2011)), 2011, vol. 2. pp. 135–138.
8. Cahill D.G. et al. Nanoscale Thermal Transport – Journal of Applied Physics, 2003, 93, 793, DOI:10.1063/1.1524305.
9. Lyeo H.-K., Cahill D.G. Thermal Conductance of Interfaces between Highly Dissimilar Materials. – Physical Review B, 2006, 73, DOI: 10.1103/PhysRevB.73.144301.
10. Dmitriev A.S. Vvedenie v nanoteplofiziku (Introduction to Nanoteplophysics). M.: BINOM. Laboratoriya znaniy, 2015, 790 p.
11. Hamilton R.L., Crosser O.K. Thermal Conductivity of Heterogeneous Two Component Systems. – Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1962, vol. 1, No. 3, pp. 187–191, DOI: 10.1021/i160003a005.
12. Morozova M.A., Novopashin S.A. Influence of Interfacial Phenomena on Viscosity and Thermal Conductivity of Nanofluids. – Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2019, 7(2), pp. 151–165, DOI:10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2019031015.
13. Batchelor G.K. Brownian Diffusion of Particles with Hydrodynamic Interaction. – Journal of Fluid Mechanics, 1976, vol. 74(1), DOI: 10.1017/S0022112076001663.
14. Nagatani T. Statistical Theory of Effective Viscosity in a Random Suspension. – Journal of the Physical Society of Japan, 1979, vol. 47, pp. 320–326, DOI: 10.1143/JPSJ.47.320.
15. Bedeaux D., Kapral R., Mazur P. The Effective Shear Viscosity of a Uniform Suspension of Spheres. – Physica A, 1977, 88(1), pp. 88–121, DOI: 10.1016/0378-4371(77)90159-5.
16. Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and Heat Trans fer Study of Dispersed Fluids with Submicron Metallic Oxide Particles. – Experimental Heat Transfer, 1998, vol. 11, No. 2, pp. 151–170, DOI:10.1080/08916159808946559.
17. Namburu P.K. et al. Experimental Investigation of Viscosity and Specific Heat of Silicon Dioxide Nanofluids. – Micro & Nano Letters, 2007, vol. 2, pp. 67–71, DOI:10.1049/mnl:20070037.
18. Rudyak V.Ya., Belkin A.A., Egorov V.V. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2009, vol. 79, pp. 18–25.
19. Birzhin A.P., Serebryannikov S.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 8, pp. 54–59.
20. Stepanov V.S. et al. Effective Heat Conductivity of Polymeric Composite Materials: The Influence of Component Properties. – St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, 2018, 11 (4), pp. 80–89, DOI: 10.18721/JPM.11408.
21. Papkov A.V., Luchko D.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 59–66.
