环氧树脂是电气,电子,微电子系统的通用聚合物系统,特别是在需要所需的外绝绝缘性能的应用中。它们的广泛使用是由于它们具有优异的附着力,对各种基板,精湛的化学和耐热性以及长​​期耐久性。它们可用于粘合,密封,涂覆和封装/灌封应用。

电绝缘胶粘剂有助于防止许多电气和电子系统中的短路。

本文主要关注两个方面;首先是讨论与环氧树脂有关的电气绝缘性能。另一种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能的变化。

在固化之前,环氧树脂由树脂和固化剂组成,其在混合,聚合和形成固化基质时。有许多不同类型的环氧树脂和固化剂。组合时,它们产生不同的交联模式,导致聚合系统的不同属性。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,例如操作温度,耐化学性和体力要求等。选择硬化剂时的另一个考虑因素是评估其处理能力和约束。我们将首先讨论一些基本的电绝缘性能,即介电常数,耗散因子,介电强度和体积电阻率。然后,我们将在处理具有各种固化剂的最终性质的处理中与这些值相关联,包括脂族胺,聚酰胺,脂环族胺,芳族胺,酸酐,路易斯酸和咪唑。

介电常数

介电常数也称为相对介电常数,它表示材料在电场作用下存储电能的能力。它是一个无因次数,定义为一种材料的介电常数相对于真空的介电常数的比率,其中介电常数是一个测量存储的电能作为一个应用电压的结果。一般来说,低值(2-5)是理想的环氧树脂和其他材料用作电绝缘体,尽管在某些应用,中等水平的介电常数(6-12)是必需的。

固化剂组

用于测量固体电绝缘材料的介电常数的标准试验方法是ASTM D150。它涉及将材料的样品放置在两个电容器板之间并测量所得到的电容 - 存储电荷的能力。然后将其与空气或在它们之间的真空相比的电容进行比较。得到的比率是材料的介电常数。

对于固化的环氧体系,介电常数随温度、频率和填料的变化而变化。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。一般来说,介电常数随温度升高而增大,随频率升高而减小,但并非总是如此。本质上,环氧树脂在较高的温度下失去一些绝缘性能,但在更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有轻微的提高,而金属填料对其影响更为显著。

耗散因子

耗散因子(DF)是经受交替电场的材料中的功率损耗的量度。根据标准ASTM D150,DF是耗散到施加的功率的功率的比率。(推荐用于在微波频率下表征DF的另外标准ASTM D2520。)期望较低的DF,以减少材料的加热并最小化对周围电路的影响。耗散因子可以是物质的其他特征的非常有用的测量,例如固化程度,空隙,水分含量和污染。随着时间的推移,当运行条件对于固化系统太严重时,可以发生DF的显着变化。

在1 KHz时,DF通常为0.003到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的影响很大程度上取决于工作频率和特定的化学成分。例如,在1khz时,当温度从环境温度上升到125°C时,特定系统的耗散因子从大约0.02下降到0.01以下,此时DF急剧上升,几乎达到0.8。对于运行在8.5 × 109hz的相同系统,DF从0.02缓慢上升,然后随着温度的升高在0.05以下趋于平稳。

矿物填料的总体效果是稍微增加DF,尽管变化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

评估环氧树脂的分离性质的另一显着标准是介电强度,其通常以伏/密耳(1密耳= 0.001英寸)表示。这被定义为可以在材料的样品上施加的最大电压而不会导致介电击穿。在介电击穿中的材料的电阻迅速降低,并且变得导电。

ASTM D149是用来确定理论介电强度的标准试验。测试方法包括在水或油的两个电极之间放置材料样品,并在电极上施加电压。然后电压以均匀的速率从零增加,直到材料表现出烧穿穿孔或开始分解。由此产生的击穿电压除以样品的厚度,得出固有的介电强度。数值越大,电气绝缘性能越好。

在实践中,介电强度高度依赖于材料的厚度,样品越薄,单位厚度的值越高。例如,对于0.010”的样品,环氧体系的介电强度值可以高达2000伏/mil,而对于0.125”的样品,则逐渐降低到425-475伏/mil。较厚的部分倾向于在环境温度下保持介电强度值约425-475伏特/密耳。因此,评估环氧树脂介电强度的一个主要因素是非常精确地说明与固化环氧树脂厚度有关的测试方法。介电强度通常随着工作温度或频率的增加而降低。由于介电强度是应用依赖的,这是重要的验证环氧树脂的介电强度的特定用途,特别是那些涉及到高电流。

大多数非导电性矿物填料对环氧树脂的介电强度影响不大,金属填料根据填料的性质和填料的负载降低介电强度。

表面和体积电阻率

电阻率是材料在施加电压、温度和时间的特定条件下抵抗电流通过的能力。表面电阻率表征了沿材料表面的泄漏电流电阻,用欧姆表示;体积电阻率表征了通过材料本体的泄漏电流电阻,用欧姆-cm表示。ASTM D257是广泛用于测量绝缘材料体积电阻率的标准。

对于未填充的环氧树脂,在25°C时,体积电阻率通常超过1012欧姆-cm。大多数矿物填料对体积电阻率影响不大,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材料。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。

加入温度对环氧树脂有有趣的影响。当环氧树脂是绝缘体时,热量的增加导致体积电阻率的降低。然而,向导电环氧树脂加热会增加体积电阻率,即导致导电率的降低。

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环氧体系的性能有深刻的影响。我们将树脂称为“标准型”双酚a。环氧树脂的固化剂主要有三种:胺类(最常见)、酸酐和催化体系(刘易斯酸,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。这些是与它们的处理和处理参数一起考虑的。

从历史和功能上看,脂肪族胺是最突出的一类。它们的粘度较低,在室温下容易固化,有些可在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,并具有优异的电气绝缘性能。此外,它们的耐化学性和物理强度性能都很好。这些脂肪族胺的混合比例往往不均匀(例如:100:12),而且不像其他胺系统那样宽容。尽管它们在薄片上可以很好地固化,但它们通常是放热的,通常固化厚度不会超过1 / 4英寸。

第二类胺是高分子量胺加合物(酰胺胺)-最常见的是聚酰胺固化剂。这些固化剂在室温下很容易固化,但粘度往往较高。它们的混合比例非常宽松,并且用户友好(对于这个类,1:1的混合比例相当普遍)。就电气绝缘性能而言,它们是最好的室温固化系统之一。然而,赋予该体系的耐温性不如脂肪族体系高。它们通常可以在环境温度到100°C的范围内连续使用。聚酰胺在环境温度下具有很低的介电常数和其他优异的电气绝缘值。它们通常不放热,并且可以很容易地固化到厚度高达2”。事实上,在这个类别中有一个亚组的放热如此之低,它可以固化到5-6”的厚度。另一个有趣的特点是,它赋予了少量的韧性固化系统。

另一类重要的胺是环脂族胺。像其他胺一样,它们具有很好的电绝缘性能。具有低到中等粘度和室温固化,通常添加热量来优化其固化性能。然而,所需的热量不是特别高(70-100°C)。它们的耐温性和耐化学性都超过了聚酰胺和脂肪族胺,一些系统可以在150°C的温度下持续使用。环脂肪族胺比脂肪族胺具有更好的混合比,但不如聚酰胺。它们在放热时变化,但倾向于在较低的一边。市面上有许多不同的环脂族胺,每一种都具有略微不同的电气绝缘特性,尽管它们都提供相对优良的绝缘值。

芳香族胺是高温和耐化学应用的支柱。它们比迄今为止讨论的其他胺需要更高的固化温度。通常需要在120-150℃固化,后固化在150-200℃,在室温下粘度较低至中等。虽然在环境温度下,一些芳香胺可能比其他胺具有相对较低的电气绝缘值,但它们在这方面仍然非常坚固,并被广泛使用,主要是由于它们的化学和耐温特性。大多数都可以在200°C左右的温度下连续使用。它们的放热率很低,使用寿命为几天,非常适合大型铸件。它们的混合比例通常比1:1或2:1复杂;然而,他们在本质上是宽容的。

第二大类固化剂是酸酐,有时称为酸酐。在所有的主要类中,它们的主要应用是灌封和封装。事实上,它们之所以被使用主要是因为它们无与伦比的电气绝缘性能。然而,实际上,酸酐交联需要大量的热量,固化时间为120-150°C 8-12小时,然后进行后固化以优化某些性能。它们粘度低,放热极低,在室温下,许多情况下工作寿命可延长数周。大多数具有精美的耐温性和其他优越的物理强度性能,如拉伸强度和模量等。

催化体系形成第三类固化剂。它们有一个和两个部分的系统。刘易斯酸体系,主要是三氟化硼,是有效的应用涉及更快的固化要求和优越的耐温度。这一组往往是放热的,当在两部分系统中使用时,它们的混合比例有一点限制。当作为一种单组分体系使用时,它们也是放热的,需要高温固化(150°C)。单组分体系的主要应用是浸渍,但可以很容易地用于灌封/封装类型的应用。

咪唑虽然不是路易斯酸,但通常被归类为催化体系。>在室温下开放时间很长,12小时,粘度适中,耐温度和耐化学性优异。它们需要适当的温度来固化(80-120°C)。混合比例通常是不均匀的(例如,100:5),但比其他胺更宽容。与其他催化体系一样,咪唑往往赋予固化实体较低的伸长率和较高的模量值。它们主要用于粘接和密封应用,也可以与其他固化剂一起使用,以提高耐温性能。所讨论的固化剂组的摘要见表。

结论

环氧树脂广泛用于粘合,密封,涂层和灌封和封装应用。如本文所示,所有环氧系统都是固有的绝缘体,特别是当通过介电强度,体积电阻率,介电常数和耗散因子进行评估时。它们是出色的电气绝缘体;然而,基于所使用的固化剂类别存在微妙的差异。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程序本身所说的处理限制。

本文由新泽西州哈肯萨克的Master Bond贡献。有关详细信息,请单击在这里


美国宇航局yabovip16.com科技简报杂志

本文首次发表于2014年11月号美国宇航局yabovip16.com技术简报杂志。

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