摘要：以石蠟作為相變物質(zhì)，與埃洛石復(fù)合，以無(wú)水乙醇為溶劑，采用溶液插層法制備出不同配比的新型石蠟/埃洛石復(fù)合相變材料。使用掃描電鏡( SEM) 觀察其表面形貌，對(duì)材料相變過(guò)程中的形狀穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，采用差示掃描量熱法( DSC) 對(duì)其相變溫度和相變焓進(jìn)行了測(cè)定，用熱重分析儀( TGA) 對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了表征; 確定石蠟與埃洛石的最佳配比后，添加少量四針狀氧化鋅( T-ZnOw) 提高其導(dǎo)熱性能，使用導(dǎo)熱儀器測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)。將復(fù)合相變材料與烘干型絕緣漆混合加熱并澆注到電機(jī)定子繞組上，電機(jī)連通電源后使用紅外測(cè)溫儀和溫敏電阻測(cè)量其溫度。結(jié)果表明: 當(dāng)石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%時(shí)，石蠟?zāi)鼙话Ｂ迨行Х庋b，保證了材料的的定形相變特征，添加 T-ZnOw 能有效提高材料的導(dǎo)熱性能; 復(fù)合相變材料與烘干型絕緣漆澆注到電機(jī)定子繞組上時(shí)能有效地降低內(nèi)部溫升，對(duì)降低短時(shí)高功率密度電機(jī)的內(nèi)部溫度和提高其功率密度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：石蠟 埃洛石 四針狀氧化鋅( T-ZnOw) 相變材料 溶液插層法

00引言

小型高功率密度的永磁同步電機(jī)具有電流密度大、電負(fù)荷高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。電機(jī)的高輸出功率導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，這給電機(jī)的散熱帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn);此外，當(dāng)電機(jī)處于短時(shí)高過(guò)載工況下時(shí)，高銅耗會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)快，但水冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷等一般散熱方式是依靠外界流體介質(zhì)帶走從電機(jī)內(nèi)部傳導(dǎo)到外殼的熱量，無(wú)法直接、快速地帶走電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，從而限制了電機(jī)的功率輸出能力。因此，需要一種快速有效的散熱方式以降低電機(jī)內(nèi)部溫升。相變材料( Phase change material，PCM) 作為一種儲(chǔ)熱和溫控材料，在固-液、液-氣或固-固相變過(guò)程中可以儲(chǔ)存或釋放大量的熱量，具有儲(chǔ)能密度高、相變前后體積變化小、熱回收溫度差異小、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能利用、溫室的溫度調(diào)控、工業(yè)廢熱的回收、城市建設(shè)、電子熱管理、恒溫紡織服裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。常用的相變材料主要包括有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料。絕大多數(shù)無(wú)機(jī)相變材料具有腐蝕性，并且在相變過(guò)程中存在過(guò)冷卻現(xiàn)象和相分離等缺陷，影響其實(shí)際應(yīng)用; 而有機(jī)相變材料具有腐蝕性小、相變潛熱大、過(guò)冷卻小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

石蠟作為有機(jī)相變材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、相變潛熱大、熔點(diǎn)范圍寬、無(wú)過(guò)冷卻現(xiàn)象和相分離缺陷、蒸汽壓低、相變溫度適宜、價(jià)格低廉、無(wú)腐蝕性和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，但是石蠟存在導(dǎo)熱系數(shù)小、相變過(guò)程易泄露的缺點(diǎn)，限制了其在儲(chǔ)熱技術(shù)中的應(yīng)用。埃洛石納米管是大自然天然形成的納米粘土，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此也可以稱為一種“綠色”材料，埃洛石自身具有較大的比表面積和良好的熱穩(wěn)定性，還具有良好的納米孔徑，可以用來(lái)吸附油性物質(zhì)，這些特征使得埃洛石納米管成為制備相變復(fù)合材料的優(yōu)良材料。四針狀氧化鋅( Tetrapod ZnO whiskers，T-ZnOw) 具有提高材料導(dǎo)熱性能的能力，能讓電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量更有效地傳遞到電機(jī)外殼，使產(chǎn)生的熱量有效地散發(fā)到外界，以此來(lái)降低電機(jī)的內(nèi)部溫度。此外，將 T-ZnOw 添加到絕緣漆中，可以加強(qiáng)線圈繞組的力學(xué)強(qiáng)度。

本研究采用溶液插層法，以石蠟為有機(jī)相變材料、埃洛石為基體材料，添加少量 T-ZnOw 以提高其導(dǎo)熱性能，制備出不同配比的新型復(fù)合相變材料并獲得了石蠟的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。復(fù)合相變材料與烘干型絕緣漆混合加熱后澆注到電機(jī)定子繞組上，能有效降低短時(shí)高功率密度電機(jī)的內(nèi)部溫度并提高其功率密度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料石蠟為 58 號(hào)全精煉石蠟，購(gòu)于成都順美國(guó)際貿(mào)易有限公司; 埃洛石購(gòu)于西安茗創(chuàng)達(dá)生物科技有限公司; 四針狀氧化鋅晶須購(gòu)于浙江聚元化工有限公司; 無(wú)水乙醇為分析純AＲ，購(gòu)于上海泰坦科技有限公司; 絕緣漆為 H 級(jí) 1150 烘干型，購(gòu)于河南納誠(chéng)電工有限公司; 去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 試樣制備

埃洛石是一種層狀結(jié)構(gòu)的非膨脹性粘土礦物，晶體結(jié)構(gòu)呈管狀，具有較大的比表面積，其層狀結(jié)構(gòu)與另一種層狀硅酸礦物( 蒙脫石) 類似。以往所報(bào)道的埃洛石復(fù)合材料基本是以熔融共混法制得，相對(duì)于熔融共混法，溶液插層法具有操作簡(jiǎn)單易行、對(duì)設(shè)備要求低、插層條件溫和等特點(diǎn)。溶液插層法是用來(lái)制備復(fù)合納米高分子材料的一種方法。溶液插層法的原理是高分子鏈在溶液中借助溶劑而插層進(jìn)入無(wú)機(jī)物層間，然后揮發(fā)除去溶劑，從而獲得高分子納米材料與無(wú)機(jī)材料的復(fù)合納米高分子材料。

埃洛石的管狀晶體結(jié)構(gòu)使其同樣具備了毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)作用，是液體表面對(duì)固體表面的吸引力，毛細(xì)管插入浸潤(rùn)液體中，浸潤(rùn)液體在毛細(xì)管中的液面是凹形的，它對(duì)下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當(dāng)向上的拉力跟管內(nèi)液柱所受的重力相等時(shí)，管內(nèi)的液體停止上升，達(dá)到平衡。埃洛石獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)及管狀晶體結(jié)構(gòu)，使其能夠通過(guò)溶液插層法充分吸收相變材料石蠟。表 1 為固-固復(fù)合相變材料制備配方。

表 1 固-固復(fù)合相變材料制備配方

1) 原料處理: 將埃洛石與去離子水混合放入球磨機(jī)中球磨 24 h，正反向各球磨 12 h，取出后使用無(wú)水乙醇洗滌并放入 80 ℃ 鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，最后研磨并過(guò)篩得到埃洛石粉末。

( 2) 復(fù)合相變材料的制備: ①常溫下取埃洛石粉末與無(wú)水乙醇混合，利用磁力攪拌器以680 r/min攪拌 1 h; ②常溫下取石蠟碎塊與無(wú)水乙醇混合，利用水浴磁力攪拌器以 680 r/min攪拌 1 h，溫度設(shè)置為 70 ℃ ; 在所得的溶液中加入第一步制得的溶液，利用水浴磁力攪拌器以 680 r/min 攪拌 2 h，溫度設(shè)置為 70 ℃ ; ③埃洛石吸附部分石蠟后，升高水浴溫度到80 ℃繼續(xù)攪拌 1 h，同時(shí)蒸發(fā)作為溶劑的無(wú)水乙醇; ④將所得產(chǎn)物放入 80 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥 6 h，將其充分烘干; ⑤取出烘干后的產(chǎn)物并研磨過(guò)篩，得到所需的復(fù)合相變材料。

( 3) 提高導(dǎo)熱性能: 為了提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，在( 2) 中第一步加入一定量的 T-ZnOw 粉末。

1.3 測(cè)試與表征

采用 SU8010 掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面形貌及微觀結(jié)構(gòu); 采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)樣品的定形相變特征和濕潤(rùn)性進(jìn)行拍照記錄; 采用 DSC200F3 差示掃描量熱儀對(duì)樣品的相變溫度和相變潛熱進(jìn)行表征; 采用 STA-449C 熱重分析儀對(duì)樣品的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析; 采用 TC3000E 便攜式導(dǎo)熱儀器對(duì)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試; 采用 FLIＲ-T530 紅外測(cè)溫儀測(cè)量完成澆注的電機(jī)機(jī)殼的溫度，證實(shí)材料對(duì)降低電機(jī)內(nèi)部溫度的有效性; 采用溫敏電阻和示波器測(cè)量電機(jī)定子內(nèi)部的溫度，對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行誤差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM 分析

由圖 1a 埃洛石粉末的 SEM 圖可見(jiàn)，埃洛石結(jié)構(gòu)為一種內(nèi)部空洞的長(zhǎng)桿狀，在桿狀兩端可以明顯看到空洞。埃洛石這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征讓其桿狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以吸附大量的相變材料石蠟，外部桿狀結(jié)構(gòu)之間通過(guò)范德華力可以吸附一定量的相變材料石蠟，且經(jīng)過(guò)球磨后讓原本被包裹的內(nèi)部結(jié)暴露出來(lái)，便于吸附更多的石蠟。由圖 1b 可見(jiàn)，復(fù)合相變材料 P2 試樣表面已經(jīng)完全被石蠟覆蓋，且埃洛石桿狀兩端也無(wú)明顯的空洞，可以推測(cè)埃洛石表面及內(nèi)部充分吸附了石蠟; 另外復(fù)合相變材料 P2 的微觀形態(tài)與埃洛石相似，說(shuō)明埃洛石的表面均勻地吸附了石蠟，而沒(méi)有發(fā)生局部的大量堆積。

圖 1 ( a) 埃洛石粉末和( b) 復(fù)合相變材料 P2 的 SEM 圖

由圖 2a 可見(jiàn)，復(fù)合相變材料 P1 試樣表面吸附了大量石蠟，且出現(xiàn)了局部的大量堆積，可以推測(cè)埃洛石表面及內(nèi)部吸附了過(guò)量的石蠟，多孔材料埃洛石已處于過(guò)飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下不利于復(fù)合相變材料在電機(jī)繞組內(nèi)的定形。由圖 2b可見(jiàn)，復(fù)合相變材料 P3 試樣表面吸附了一定量的石蠟，但埃洛石桿狀結(jié)構(gòu)表面仍存在空隙，多孔材料埃洛石處于不飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下可進(jìn)一步吸附石蠟。

圖 2 復(fù)合相變材料( a) P1 和( b) P3 的 SEM 圖

2.2產(chǎn)物的定形相變特征測(cè)試

形狀穩(wěn)定性是相變材料在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。利用加熱-拍照的方法記錄了所制備的復(fù)合相變材料在高于其相變溫度時(shí)的形狀穩(wěn)定性，并與純石蠟作比較。圖 3 中分別列出了復(fù)合相變材料 P1( 見(jiàn)圖 3a) 、P2( 見(jiàn)圖 3b) 、P3( 見(jiàn)圖 3c) 和純石蠟粉末( 見(jiàn)圖 3d) 在 80 ℃ 加熱 0 min、5 min、10 min、15 min和 20 min( 從左到右) 時(shí)的照片。可以看出純石蠟很快就開(kāi)始熔融，10 min 后完全熔化成流動(dòng)液體狀態(tài)，如果應(yīng)用于設(shè)備中就意味著會(huì)有大量的泄露; 復(fù)合相變材料 P2 和P3 受熱后形貌沒(méi)有任何變化，表明這些復(fù)合相變材料均有很好的定形相變特征。這是由于在復(fù)合相變材料中，埃洛石的多孔結(jié)構(gòu)能夠有效地吸附封裝石蠟，阻止熔融后的液態(tài)石蠟的流動(dòng)，證明石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%時(shí)材料仍具有定形相變特征。石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 50%，復(fù)合相變材料中石蠟含量較少，材料配比不是最佳。而復(fù)合相變材料 P1 存在一定的泄漏，可以推測(cè)，隨著石蠟含量的增加，試樣泄漏的石蠟將逐漸增加，這主要是因?yàn)橐欢ㄙ|(zhì)量的埃洛石所吸附相變材料的質(zhì)量也是一定的，若加入更多量的石蠟，其在熔化狀態(tài)下就會(huì)發(fā)生泄漏，使得復(fù)合相變材料中的相變材料流失，造成復(fù)合相變材料儲(chǔ)存能量減少、儲(chǔ)能能力下降，這說(shuō)明石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于或等于 55%時(shí)，復(fù)合相變材料中石蠟含量過(guò)高，材料配比也不是最佳。綜合來(lái)看，石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%時(shí)，埃洛石對(duì)石蠟的吸附量處于臨界飽和狀態(tài)，該石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為理想。

圖 3 復(fù)合相變材料( a) P1、( b) P2、( c) P3 和( d) 純石蠟粉末在 80 ℃下加熱不同時(shí)間( 從左到右 0 min、5 min、10 min、15 min 和 20 min) 的照片

2．3 產(chǎn)物的儲(chǔ)熱性能( DSC) 分析

58 號(hào)石蠟的相變溫度區(qū)間為 47 ～ 64 ℃，圖 4 為所制備試樣的 DSC 曲線，可以看出，石蠟/埃洛石復(fù)合相變材料所含石蠟的量對(duì)其相變溫度無(wú)明顯影響，其相變溫度都在 60 ～65 ℃，相變特征與純石蠟相似。從圖 4 中可以觀察到試樣的DSC 曲線都有兩個(gè)吸熱峰，其中小峰代表固-固相變過(guò)渡階段，主峰代表固-液相變過(guò)程，固-固相變過(guò)渡階段是由樣品從有序相到無(wú)序相過(guò)渡引起的。復(fù)合相變材料的相變焓越大，單位質(zhì)量所儲(chǔ)存的熱量越多，在 DSC 中體現(xiàn)為主峰的峰面積越大。如圖 4 中的吸熱峰面積顯示，隨著石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其吸熱峰面積逐漸增大，分析可得復(fù)合相變材料 P1 的相變焓為 50．468 9 J/g，P2 的相變焓為 47．514 7 J/g，P3 的相變焓為 47．168 4 J/g，這說(shuō)明隨著石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其相變焓也逐漸提高，隨著石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單位質(zhì)量的復(fù)合材料所儲(chǔ)存的能量也增加，表明材料的 DSC 吸熱峰面積越大，即材料的相變焓越大，該材料在填入電機(jī)定子繞組后對(duì)降低電機(jī)內(nèi)部溫度的效果越好。從圖 4 中還可以發(fā)現(xiàn)，三組材料的DSC 曲線在縱軸上存在一定的差異，這是材料熱功率和熱效率的體現(xiàn)，且熱功率和熱效率成反比。若材料的 DSC 曲線整體偏下方，則該材料的熱功率較低，但相反其熱效率較高; 若材料的 DSC 曲線整體偏上方，則該材料的熱功率較高，但相反其熱效率較低。圖 4 中 P1 的 DSC 曲線偏下方，則其存在熱功率較低的問(wèn)題，但相反熱效率會(huì)較高; P3 的 DSC 曲線偏上方，雖然其熱功率較高，但會(huì)導(dǎo)致其熱效率較低; P2 的 DSC曲線居中，其熱功率和熱效率均較為適中。綜合考慮相變焓值、熱功率和熱效率，復(fù)合相變材料 P2 中石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為理想。

圖 4 復(fù)合相變材料的 DSC 曲線

2.4 產(chǎn)物的熱失重( TGA) 分析

圖 5 為純石蠟及所制備試樣的 TGA 曲線，在空氣氣氛下進(jìn)行 TGA 分析，純石蠟在 185 ℃ 左右開(kāi)始失重，當(dāng)溫度達(dá)到380 ℃時(shí)總質(zhì)量損失率約為 100%，由此可驗(yàn)證所制備的復(fù)合相變材料中石蠟的含量。由此可以看出，在 200 ℃ 內(nèi)復(fù)合相變材料樣品有少量的失重，主要是由于材料吸附的水分子以及殘余溶劑的蒸發(fā)引起的，且在該溫度范圍內(nèi)，復(fù)合相變材料中的石蠟已發(fā)生固-固相變過(guò)渡階段和固-液相變階段，石蠟已由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，大部分液體石蠟在埃洛石的吸附作用下仍被吸附在復(fù)合相變材料內(nèi)，僅有少量的液體石蠟蒸發(fā)后轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w并脫離復(fù)合相變材料。在 200～300 ℃范圍內(nèi)，材料質(zhì)量急劇下降，且石蠟含量最低的一組質(zhì)量損失最少，說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi)，復(fù)合相變材料中的液體石蠟開(kāi)始大量蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w并脫離埃洛石的吸附。

圖 5 純石蠟及復(fù)合相變材料的 TGA 曲線

圖 5 為純石蠟及所制備試樣的 TGA 曲線，在空氣氣氛下進(jìn)行 TGA 分析，純石蠟在 185 ℃ 左右開(kāi)始失重，當(dāng)溫度達(dá)到380 ℃時(shí)總質(zhì)量損失率約為 100%，由此可驗(yàn)證所制備的復(fù)合相變材料中石蠟的含量。由此可以看出，在 200 ℃ 內(nèi)復(fù)合相變材料樣品有少量的失重，主要是由于材料吸附的水分子以及殘余溶劑的蒸發(fā)引起的，且在該溫度范圍內(nèi)，復(fù)合相變材料中的石蠟已發(fā)生固-固相變過(guò)渡階段和固-液相變階段，石蠟已由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，大部分液體石蠟在埃洛石的吸附作用下仍被吸附在復(fù)合相變材料內(nèi)，僅有少量的液體石蠟蒸發(fā)后轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w并脫離復(fù)合相變材料。在 200～300 ℃范圍內(nèi)，材料質(zhì)量急劇下降，且石蠟含量最低的一組質(zhì)量損失最少，說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi)，復(fù)合相變材料中的液體石蠟開(kāi)始大量蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w并脫離埃洛石的吸附。

2.5 復(fù)合相變材料導(dǎo)熱性能分析

在相變儲(chǔ)能材料中，導(dǎo)熱性能是除了相變溫度與相變焓值外最重要的參數(shù)之一。多數(shù)有機(jī)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，從而導(dǎo)致熱量?jī)?chǔ)存和釋放速率偏低，因此限制了其在實(shí)踐中的應(yīng)用。通過(guò)前面的探討已確定石蠟與埃洛石的最佳配比，其中石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)為 0．21 W/( m·K) ，數(shù)值偏低。T-ZnOw 的導(dǎo)熱性較好，屬于金屬氧化物導(dǎo)熱填料，在增強(qiáng)基體導(dǎo)熱的同時(shí)不會(huì)破壞基體的絕緣性能。由于四針狀立體結(jié)構(gòu)的特性，其在基體中更容易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。因此，通過(guò)在復(fù)合相變材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 T-ZnOw 對(duì)其進(jìn)行改性，并采用 TC3000E 便攜式導(dǎo)熱儀器測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，同一實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試五次取平均值。

表 2 為各組材料的導(dǎo)熱系數(shù)，石蠟( 50%) /埃洛石( 50%) 復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)五次測(cè)試的平均值為0．140 36 W/( m·K) ，石蠟( 50%) /埃洛石( 50%) /T-ZnOw( 10%) 復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)五次測(cè)試的平均值為 0． 155 68 W/( m·K) 。加入10%T-ZnOw 后復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高了約 10．91%，證明 T-ZnOw 能有效提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，在復(fù)合相變材料中添加 T-ZnOw 后能讓電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量更有效地傳遞到電機(jī)外殼，使得繞組通電后產(chǎn)生的熱量更有效地被石蠟吸收。

表 2 復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)

2.6 電機(jī)繞組澆注及溫升曲線分析

本實(shí)驗(yàn)中使用的電機(jī)的主要相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。

表 3 電機(jī)的主要相關(guān)參數(shù)

在電機(jī)繞組澆注前，將電機(jī)安裝在機(jī)座上，并與控制板、外接負(fù)載、外接電源和測(cè)功機(jī)連接，連接完成后電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 6 所示。將外接電源調(diào)整到輸入電壓 18 V、輸入電流3 A 后通電，并在恒溫室內(nèi)用 FLIＲ-T530 紅外測(cè)溫儀測(cè)量通電后電機(jī)繞組的機(jī)殼溫度。

圖 6 電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

取適量石蠟/埃洛石/T-ZnOw 復(fù)合相變材料與烘干型絕緣漆混合，放入 80 ℃ 鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥 30 min，取出后澆注到電機(jī)繞組上，重復(fù)澆注兩次，使制備的復(fù)合相變材料充分附著到電機(jī)繞組上。圖 7a 為未澆注的電機(jī)繞組，可以發(fā)現(xiàn)定子繞組之間存在大量空隙，可以通過(guò)填充大量的復(fù)合相變材料來(lái)降低電機(jī)的內(nèi)部溫度; 圖 7b 為對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行一次澆注后的效果圖，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變材料已填充大部分孔隙，但仍存在孔隙，且在繞組表面還可以涂抹一層復(fù)合相變材料; 圖 7c 為對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行二次澆注后的效果圖，可以看出復(fù)合相變材料已充分填充繞組孔隙，涂抹在繞組表面的復(fù)合相變材料附著良好。由于中心為電機(jī)轉(zhuǎn)子部分，需要留出足夠的空間安裝電機(jī)轉(zhuǎn)子，中心空白部分無(wú)法填充復(fù)合相變材料，且在繞組表面涂抹復(fù)合相變材料時(shí)不能涂抹得太厚，厚度太大會(huì)導(dǎo)致殼蓋無(wú)法正常合上。澆注完成后使用電子天秤稱量計(jì)算得到最終澆注的材料約 4．55 g，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算含有的石蠟約 0．875 g。

圖 7 電機(jī)繞組( a) 未澆注、( b) 一次澆注和( c) 二次澆注的效果圖

電機(jī)繞組澆注完成后將其安裝回機(jī)座并連接好外接器件，將外接電源調(diào)整到輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 后通電，并在恒溫室內(nèi)用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電機(jī)機(jī)殼溫度。紅外測(cè)溫電機(jī)繞組澆注完成后將其安裝回機(jī)座并連接好外接器件，將外接電源調(diào)整到輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 后通電，并在恒溫室內(nèi)用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電機(jī)機(jī)殼溫度。紅外測(cè)溫儀圖中溫度越高的地方，顏色較其他區(qū)域更加鮮紅且亮度更大，左上角會(huì)顯示測(cè)試區(qū)域中的最高溫度值。在外接電源通電 11 min 后，未加復(fù)合相變材料的空白組與添加復(fù)合相變材料的實(shí)驗(yàn)組在該時(shí)刻的測(cè)試效果圖分別如圖 8a、b 所示。可以發(fā)現(xiàn)空白組的高溫鮮紅明亮程度大于實(shí)驗(yàn)組，這是由于空白組的整體溫度高于實(shí)驗(yàn)組; 且空白組的最高溫度值與實(shí)驗(yàn)組相差約 3 ℃，這是因?yàn)閺?fù)合相變材料中的石蠟吸收了部分熱量，表明添加的復(fù)合相變材料能改善電機(jī)的散熱問(wèn)題。

圖 8 通電 11 min 時(shí)( a) 空白組與( b) 實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試效果圖( 電子版為 彩圖)

再以輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 對(duì)空白組和實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行 15 min 的通電測(cè)試，通電過(guò)程中全程使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電機(jī)機(jī)殼溫度，對(duì)測(cè)量出來(lái)的溫度數(shù)據(jù)以 10 s 為間隔采點(diǎn)，將空白組( 未添加相變材料) 和實(shí)驗(yàn)組( 添加了復(fù)合相變材料) 的所有采點(diǎn)繪制成溫度曲線，如圖 9 所示。可以發(fā)現(xiàn)在空白組與實(shí)驗(yàn)組輸入功率和初始溫度相同的情況下，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，兩組電機(jī)的機(jī)殼溫度持續(xù)升高，且同一時(shí)刻下兩組溫度差異越來(lái)越大。在 55～60 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，空白組與實(shí)驗(yàn)組的升溫趨勢(shì)存在較大差異，在該溫度區(qū)間內(nèi)空白組的溫度呈現(xiàn)快速爬升狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)組的溫度先呈現(xiàn)出近似平緩即恒溫的狀態(tài)，然后溫度才再次恢復(fù)緩慢爬升的狀態(tài)。這是由于在該溫度區(qū)間內(nèi)復(fù)合相變材料中的石蠟發(fā)生固-液相變，石蠟由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過(guò)程會(huì)從外界吸收大量的熱量，在復(fù)合相變材料中的固體石蠟未完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w石蠟前，整體溫度會(huì)維持在石蠟的相變溫度左右，因此才會(huì)出現(xiàn)近似平緩即恒溫的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中采用的石蠟為58 號(hào)全精煉石蠟，從前面的產(chǎn)物儲(chǔ)熱性能分析中得出該復(fù)合相變材料的相變溫度區(qū)間為 60～65 ℃，但在測(cè)出的溫度曲線中其相變溫度區(qū)間提前到了 55 ～ 60 ℃。這是由于紅外測(cè)溫儀測(cè)試的是電機(jī)機(jī)殼溫度，無(wú)法探測(cè)器件內(nèi)部定子繞組的溫度，機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量從內(nèi)部傳遞到外部需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)外存在一定的溫度差，因此才會(huì)出現(xiàn)相變溫度區(qū)間提前的現(xiàn)象，實(shí)際在該時(shí)間段機(jī)殼內(nèi)溫度已達(dá)到了石蠟的相變溫度，石蠟已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生固-液相變，并從外界吸收熱量。

圖 9 空白組與實(shí)驗(yàn)組的溫度曲線

在 15 min 時(shí)，空白組的最高溫度為 70 ℃，實(shí)驗(yàn)組的最高溫度為 62．5 ℃，二者相差 7．5 ℃。在同樣的輸入功率和外界溫度條件下，添加的復(fù)合相變材料中約 0．875 g 的石蠟使電機(jī)機(jī)殼外部溫度下降約 7．5 ℃，而機(jī)殼內(nèi)部的降溫效果將更加顯著，證明該復(fù)合相變材料對(duì)降低短時(shí)高功率密度電機(jī)的內(nèi)部溫度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

重新以輸入電壓 18 V 和輸入電流 3 A 的條件給空白組通電 15 min，圖 10a 中測(cè)功機(jī)下方顯示的依次為轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率，在該條件下空白組的輸出功率為 50．083 W; 同樣的輸入功率條件下給實(shí)驗(yàn)組通電 15 min，通過(guò)調(diào)節(jié)外接負(fù)載的大小使得實(shí)驗(yàn)組結(jié)束時(shí)刻的溫度升高到與空白組結(jié)束時(shí)刻的溫度近似，如圖 10b 中測(cè)功機(jī)顯示該條件下實(shí)驗(yàn)組的輸出功率為 55．155 W。在同樣的輸入功率和外界條件下，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)組的外接負(fù)載使得空白組與實(shí)驗(yàn)組在相同的時(shí)間內(nèi)提升相同的溫度，實(shí)驗(yàn)組的最終輸出功率比空白組提升了近10%，證明將該復(fù)合相變材料添加到電機(jī)上可以提高電機(jī)輸出功率，從而提高電機(jī)的功率密度。

圖 10 測(cè)功機(jī)顯示( a) 空白組和( b) 實(shí)驗(yàn)組的輸出功率2.7 溫敏電阻誤差分析

使用直流電源向串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)組電機(jī)和空白組電機(jī)直接通電，并分別將溫敏電阻附著在電機(jī)定子繞組上來(lái)反映繞組溫升，同時(shí)使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量定子繞組溫度來(lái)進(jìn)行誤差分析。溫敏電阻外接 5 V 電源通電并串聯(lián)一個(gè) 10 K 電阻分壓，使用示波器測(cè)量溫敏電阻兩端電壓并換算為阻值，通過(guò)溫敏電阻阻值的變化來(lái)反映電機(jī)定子繞組溫度的變化情況。紅外測(cè)溫儀的效果如圖 11 所示，可以發(fā)現(xiàn)在兩組電機(jī)串聯(lián)且通電時(shí)間相同的情況下，實(shí)驗(yàn)組溫度明顯低于空白組溫度，證明了復(fù)合相變材料能有效改善散熱問(wèn)題。

圖 11 通電 3 min 時(shí)( a) 空白組與( b) 實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試效果圖

將通過(guò)溫敏電阻反映的溫度變化數(shù)據(jù)和紅外測(cè)溫儀測(cè)量的溫度變化數(shù)據(jù)以 5 s 為間隔踩點(diǎn)繪制成溫度曲線，如圖 12所示。可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組在兩種測(cè)溫方式下溫升趨勢(shì)基本一致，且使用溫敏電阻反映溫升曲線時(shí)，復(fù)合相變材料的相變過(guò)程在曲線中能更加明顯地反映出來(lái); 空白組在兩種測(cè)溫方式下，曲線前半段趨勢(shì)一致，但后半段紅外測(cè)溫儀的溫升曲線持續(xù)爬升，而溫敏電阻的溫升曲線呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)溫敏電阻阻值偏小，電阻兩端的電壓偏低，溫敏電阻已處于臨界飽和狀態(tài)，溫敏阻阻值變化幅度很小，導(dǎo)致溫升曲線變化幅度很小。

圖 12 溫敏電阻和紅外測(cè)溫儀的溫度曲線

兩組溫敏電阻反映的溫升曲線中，空白組與實(shí)驗(yàn)組在190 s時(shí)溫差最大，此時(shí)空白組為 74． 409 ℃，實(shí)驗(yàn) 組為57．466 ℃，兩組相差 16．943 ℃，充分證明該復(fù)合相變材料對(duì)降低短時(shí)高功率密度電機(jī)的內(nèi)部溫度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

( 1) 以石蠟為相變材料、埃洛石材料為基體，并添加少量T-ZnOw 以提高導(dǎo)熱性能，采用溶液插層法制備出石蠟/埃洛石/T-ZnOw 復(fù)合相變材料。

( 2) 石蠟被均勻吸附在埃洛石的孔洞結(jié)構(gòu)中，最優(yōu)吸附量為 50%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ，且形態(tài)穩(wěn)定，無(wú)任何泄漏。( 3) DSC 測(cè)試表明復(fù)合相變材料的相變溫度區(qū)間為60～65 ℃，相變特征與純石蠟相似，這是因?yàn)閺?fù)合相變材料合成過(guò)程中石蠟和埃洛石基體只是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合而沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。TGA 測(cè)試表明埃洛石對(duì)封裝在內(nèi)部的石蠟有很好的保護(hù)作用，在使用過(guò)程中復(fù)合相變材料質(zhì)量不會(huì)減少，因此不會(huì)影響到其自身的性能。

( 4) T-ZnOw 能有效提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，讓電機(jī)內(nèi)部的熱量更容易傳遞到電機(jī)外殼，使產(chǎn)生的熱量更快散發(fā)到外界。

( 5) 所制備的復(fù)合相變材料兼具良好的相變儲(chǔ)熱能力和穩(wěn)定的熱學(xué)性能，與烘干型絕緣漆混合加熱后澆注到電機(jī)定子繞組中能有效提高電機(jī)的散熱能力，對(duì)降低短時(shí)高功率密度電機(jī)的內(nèi)部溫度具有重要意義; 添加復(fù)合相變材料的電機(jī)在達(dá)到往常的溫升條件下，輸出功率大幅度提高，因此電機(jī)的功率密度提高。

來(lái)源：材料導(dǎo)報(bào) 陳 鑫1 ，劉凌云1， 陶馬冠宇1 ，王曉光1 ，柳建軍2

1 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 2 襄陽(yáng)市三三電氣有限公司

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