一种用于封装高频变压器的环氧树脂性能测试方法与流程

1.本发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及一种用于封装高频变压器的环氧树脂性能测试方法。


背景技术：

2.高频变压器是分布式智能电网的核心设备dc/dc变换器中的关键部件，起着电气隔离、电压变换、传输功率等关键性作用。高频变压器包括铁芯以及线圈，铁芯和线圈之间均需要用封装材料进行封装以达到绝缘和固定的作用。相比于常规油绝缘，采用电绝缘性能优异的环氧树脂对高频变压器进行固封绝缘可有效减小变压器高低压之间的绝缘距离，有效减小变压器体积，且耐电弧、耐表面漏电，无防火设计问题等。
3.然而，环氧树脂本身极低的热导率对高频变压器的散热造成了极大的影响，热量在变压器内部的积聚易造成变压器绝缘老化，影响高频变压器运行的安全性和使用寿命。高导热环氧树脂材料的研发是制备稳定可靠运行、长寿命的高频变压器的关键。而且不仅是改性环氧树脂自身材料的性能会对高频变压器的散热造成影响，而且封装工艺也会对散热造成影响。但是现今还没有对封装高频变压器的环氧树脂及封装工艺进行散热性能的测试方式，使得研究出的改性环氧树脂需要直接应用到高频变压器上进行实际使用测试，而且短时间内难以作出判断，对于材料的性能研究造成时间成本上的困难。
4.因此，针对以上不足，需要提供一种用于封装高频变压器的环氧树脂性能测试方法。


技术实现要素：

5.（一）要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是解决现今还未有对封装环氧树脂散热性以及影响散热性的因素的测试方式的问题。
6.（二）技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于封装高频变压器的环氧树脂性能测试方法，包括以下步骤：ⅰ.使用模具将环氧树脂覆盖在电热丝外，待冷却凝固后取出至模具外，此时改性的环氧树脂固化为封装套；ⅱ.从测试仓上取下封盖，将电热丝插接在接头处，其中封装套与接头之间的电热丝外露；随后将封装套和电热丝装入测试仓内，最后将封盖嵌入测试仓顶部以使测试仓顶部封闭；ⅲ.使用手持式红外热成像仪测量此时仓内温度大小并记录；ⅳ.向导线供电使电热丝持续升温，在达到电热丝设定温度前分五次使用手持式红外热成像仪对封装套和裸露在外的电热丝进行测温并记录；
ⅴ
.电热丝达到设定温度十分钟后再通过手持式红外热成像仪对封装套和裸露在
外的电热丝进行测温并记录，随后关闭电热丝的电源使其自然冷却，同时开始计时；ⅵ.在测试仓窗口处粘贴感温变色贴纸，观察感温变色贴纸的颜色变化，待感温变色贴纸重新变回原色后停止计时，记录变色的时间。
7.作为对本发明的进一步说明，优选地，封装套厚度数值大于电热丝直径数值的两倍。
8.作为对本发明的进一步说明，优选地，布置大于等于三个测试仓，测试仓内分别放置由不同改性环氧树脂制成的封装套和相同规格的电热丝。
9.作为对本发明的进一步说明，优选地，对由不同改性环氧树脂制成的封装套和相同规格的电热丝进行编号并在表格中登记，制作对应的标号贴纸并贴在对应的测试仓的角形壁面外。
10.作为对本发明的进一步说明，优选地，在电热丝加热期间，通过观察手持式红外热成像仪上的图像颜色差异，对于封装套与电热丝颜色差异大的测试仓，以及在封装套上产生不同颜色的测试仓的各项数据不再记录，并在表格中进行不合格标记。
11.作为对本发明的进一步说明，优选地，电热丝的设定温度为130℃，其中在电热丝温度达到50℃、70℃、80℃、100℃和130℃时分别对封装套和电热丝进行测温。
12.作为对本发明的进一步说明，优选地，变色时间记录完后，180
°
旋转封盖以使封装套另一弧形面面对测试仓窗口，继续进行加热测温和电热丝断电后的变色时间记录。
13.作为对本发明的进一步说明，优选地，变色时间记录完后，将全部带有电热丝的封装套从测试仓中取出，从封装套上、中、下三区域分别取一块1
×1×
1cm的立方块；然后采用排水法密度计测试立方块密度，分别记为，取平均值记为，并按照下式计算沉降率：。
14.作为对本发明的进一步说明，优选地，采用扫描电镜表征三块立方块表面颗粒分布情况，对比分析三块区域内颗粒分布是否均匀。
15.作为对本发明的进一步说明，优选地，根据对全部不同种类的封装套进行沉降率数据和扫描电镜的表征图像进行分析，用以判断封装套是否因材料因素不合格或因封装工艺因素不合格。
16.（三）有益效果本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明通过设计一种测试方法，结合测试仓和手持式红外热成像仪即可针对不同改性的环氧树脂散热性进行测评，操作简单且测试成本低，而且能够较大程度模拟高频变压器的温度变化，利用热成像仪的图像便可直观判断改性环氧树脂的散热性好坏，无需进行复杂的检测计算；而且通过使用感温变色贴纸替代手动测温或者自动测温的方式，不仅能反应温度变化，而且进一步减少安装温度计的成本，方便且实用。
附图说明
17.图1是本发明的测试仓前视图；图2是本发明的电热丝外露部分图；
图3是本发明的测试仓侧视图；图4是本发明的改性环氧树脂dsc放热曲线图；图5是本发明的改性环氧树脂固化剂混合物黏度随温度变化曲线图；图6是本发明的改性环氧树脂恒温凝胶曲线图；图7是本发明的改性环氧树脂振荡固化曲线图；图8是本发明的改性环氧树脂三区域扫描电镜图。
18.图中：1、测试仓；11、角形壁；12、感温变色贴纸；2、封盖；21、接头；22、导线；3、封装套；4、电热丝。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.一种用于封装高频变压器的环氧树脂性能测试方法,包括以下步骤：ⅰ.在实验台上布置大于等于三个测试仓1，优选五个测试仓1。结合图1、图3，测试仓1采用和保温砖相同的材料一体成型，测试仓1结构整体呈类三棱柱体，其中测试仓1的后端为角形壁11，其内壁之间的空间比即将用于测试封装套3直径略大。测试仓1前端面开设有窗口，窗口和测试仓1内腔相通。五个测试仓1内分别放置由不同改性环氧树脂制成的封装套3和相同规格的电热丝4。如图2所示，其中电热丝4主体为螺旋状金属件，电热丝4螺旋结构的两端均从电热丝4上部伸出，使用模具将液态的改性环氧树脂覆盖在电热丝4的螺旋部外，以使电热丝4两端外露。待液态的环氧树脂冷却凝固后取出至模具外，此时改性的环氧树脂即可固化为封装套3。
21.封装套3的厚度数值应当大于电热丝4直径数值的两倍，优选两倍和三倍之间，既能防止封装套3厚度较薄使得热量散发更为容易，失去测试的价值，又能避免封装套3过厚而认为改性环氧树脂散热性不合格的误判情况，而且实际使用中环氧树脂的封装厚度很小，仅使用小倍数的数值比能够保障测试的客观性和准确性。
22.卸掉模具后，对由不同改性环氧树脂制成的封装套3和相同规格的电热丝4进行编号并在表格中登记，制作对应的标号贴纸并贴在对应的测试仓1的角形壁11外。
[0023]ⅱ.如图2所示，从测试仓1上取下插接在测试仓1顶部的封盖2，封盖2也与测试仓1材质相同，将电热丝4伸出封装套3的两端插入固连在封盖2内侧的接头21处，封盖2外部固连有导线22，导线22一端与接头21固连，导线22另一端与控制器和电源相连。随后将封装套3和电热丝4装入测试仓1内，最后将封盖2嵌入测试仓1顶部以使测试仓1顶部封闭，避免外界的常温空气从测试仓1顶部流入测试仓1内对电热丝4进行降温。
[0024]ⅲ.使用手持式红外热成像仪测量此时测试仓1内的温度大小并记录，先行测量环境温度，可用于后期升温速率的判断。其中手持式红外热成像仪选用高德（guide）t120v型红外热像仪，其具有60mk的热灵敏度，测温精度在
±
2℃，而且低档的测温范围在-20℃～150℃，而实际高频变压器的使用最高温度130℃，电热丝4的温度也需要达到130℃，因此该款手持式红外热成像仪能够满足检测要求。此外该款红外热成像仪还能够显示标记位置的
温度数值，并将温度数据和图像存储到内存卡中，方便后续调出到电脑中对图片数据和温度数据进行进一步的分析。
[0025]ⅳ.向导线22供电使电热丝4持续升温，在达到电热丝4设定温度前分五次使用手持式红外热成像仪通过测试仓1的方形窗口对封装套3和裸露在外的电热丝4进行测温并记录。其中电热丝的设定温度为130℃，在系统显示电热丝4的温度达到50℃、70℃、80℃、100℃和130℃时分别对封装套3和电热丝4进行测温。正常情况下，系统显示的电热丝4温度和实际通过红外热成像仪测出的温度数值相同，仅需观察封装套3的外表面温度和散发温度的区域。另外，在电热丝4加热期间，通过观察手持式红外热成像仪上的图像颜色差异，对于封装套3与电热丝4颜色差异大的测试仓1，以及在封装套3上产生不同颜色的测试仓1的各项数据不再记录，并在表格中进行不合格标记。
[0026]
ⅴ
.当电热丝4达到设定的130℃温度，继续等待十分钟后再通过手持式红外热成像仪对封装套3和裸露在外的电热丝4进行测温并记录，随后关闭电热丝4的电源使其自然冷却，同时开始计时，用于判断封装套3自然冷却下的降温速率。
[0027]ⅵ.如图1所示，冷却一段时间后，以不高于85℃为宜，在测试仓1的窗口外围粘贴感温变色贴纸12，观察感温变色贴纸12的颜色变化，待感温变色贴纸12重新变回原色后停止计时，记录变色的时间。其中感温变色贴纸12为白色贴纸外喷涂了红色的45℃温变材料制成，该温变材料主要由一定比例的变色染料、显色剂和溶剂等组成，使得温度高于41℃时，变色染料和显色剂开始溶解分散在溶剂中，高于45℃后体系呈现白色的状态。当温度低于45℃后，溶剂逐渐凝固，变色染料和显色剂相互靠近，在显色剂的作用下，变色染料发生结构变化，从而使体系再次变为红色。因此通过粘贴感温变色贴纸12，只需观察感温变色贴纸12何时完全变为红色，即可通过计算判断封装套3和电热丝4的散热速率。
[0028]
另外，感温变色贴纸12粘贴位置的测试仓1壁面上间隔开设有若干个通孔，通孔贯穿至测试仓1内腔中，感温变色贴纸12覆盖通孔。设置通孔能够更好地向感温变色贴纸12传输热量，减少外界的常温环境对感温变色贴纸12的影响。
[0029]
变色时间记录完后，180
°
旋转封盖2以使封装套3另一弧形面面对测试仓1窗口，继续进行加热测温和电热丝4断电后的变色时间记录，使得能对封装套3进行全面的测试。
[0030]
通过上述方法，能够模拟实际高频变压器的工作温度，并且根据红外热成像仪的图像可以十分直观地判断当下封装套3的散热性能，若是封装套3的散热性能良好，则在红外热成像仪上的图像颜色和电热丝4外露部分的颜色接近，越是散热性能好颜色越为接近甚至相同。若是散热性能差，则在红外热成像仪上的图像颜色和电热丝4外露部分的颜色差别比较大，可以由测试人员直接判断制成该封装套3的改性环氧树脂不合格。无需使用其它复杂的设备和编程计算即可判断改性环氧树脂的散热性能，操作简单且测试结果准确，测试成本也低。另外在具有角形壁11的测试仓1的限制下，外界常温环境对于封装套3的温度影响小，封装套3散发的热量也基本只能从窗口流出，即降低了外界干扰，又缩小的封装套3散热范围，使得红外热成像仪所检测的结果能够更为接近封装套3散发的实际温度，进一步保障测试结果准确。
[0031]
而且通过感温变色贴纸12来替代红外热成像仪的测温工作，不仅减少测试人员的多次检测的工作，而且也通过成本最低的方式达到判断降温时间的效果。利用感温变色贴纸12再次变为红色以及在粘贴感温变色贴纸12之前的计时时间，结合电热丝4达到130℃的
最高温度，仅需做简单的除法运算即可判断外界常温环境对封装套3和电热丝4的散热冷却速率，进一步明确该改性环氧树脂的散热性能。
[0032]
为了进一步明确不合格封装套3的低散热性能是受到自身材料配比的影响还是封装工艺的影响，则在进行性能测试时，选择一种现有的材料配比和常规的封装工艺（即直接注模固化）组合，并标记为实验1选择一种改进后的材料配比和常规的封装工艺组合，并标记为实验2。选择一种现有的材料配比和改进后的封装工艺组合，并标记为实验3。选择一种改进后的材料配比和改进后的封装工艺组合，并标记为实验4。最后选择额外一种改进后的材料配比和改进后的封装工艺组合，并标记为实验5。
[0033]
其中，改进后封装工艺具体如下：
①
取10～20mg改性的环氧树脂进行差示扫描量热法（dsc）测试，测试制度为室温至250oc，升温速率10oc/min，记录该改性的环氧树脂体系起始放热温度to和放热峰对应温度t
p
（如图4所示）；
②
取少量（2～3ml）改性的环氧树脂置于旋转流变仪样品盘上，采用温度扫描模式测定样品的黏度随温度变化的黏温曲线，采用时间扫描模式测试样品的恒温凝胶时间，采用振荡流变确定各样本的固化制度：其中温度模式是采用5～10oc/min，剪切速率采用5～10s-1
，利用流变仪测试室温至140oc范围内样本的黏度随温度变化，并绘制黏温曲线（如图5所示），从黏度随温度变化的黏温曲线的测试结果中读取黏度小于2pa
·
s的温度区间，在此温度区间和dsc测试方式中获得的放热曲线图测得to～t
p
温度区间进行交集，从中选取温度t；时间扫描模式则是选取恒定温度t－20oc，t－10oc，toc，t 10oc以及t 20oc，剪切速率采用50～150s-1
，测试样本的恒温凝胶时间；同时采用原位显微红外测试样本的交联度，采用可见光透过率仪测量样品的透光率变化，得到样本的黏度、交联度和透光率随时间变化曲线（如图6所示），进一步得到样本的沉降率、交联度和黏度之间的关系，
③
选取改性的环氧树脂体系粘度在1～2小时内达到1.5pa
·
s、粘度在1.5～2.0pa
·
s范围内保持时间大于40分钟、显微红外反应的交联度在10%～20%之间，以及透光率变化差值在1～5%以内的温度设定为预固化交联温度t1。选取t1温度下使改性的环氧树脂体系粘度达到1.5pa
·
s以上，同时交联度达10%所需时间为预固化交联时间t1；
④
使改性的环氧树脂体系先在t1温度下旋转模式旋转测试t1时间，紧接着采用振荡模式分别测试t11h～3h t2（t1 10～20oc）1～3h t3（t2 10～20oc）1～3h和t
2 4h固化制度下粘度变化曲线（如图7所示）。振荡频率采用1hz，振荡形变0.05%～5%。优选的采用t11～3h t21～3h t31～3h三温段固化制度，振荡形变为1%。
[0034]
⑤
将电热丝4置于模具中，在t
1o
c下预热搅拌罐和模具1～2小时。之后将改性环氧树脂在t1温度下搅拌t1时间，使环氧树脂预交联，体系粘度达1.5pa
·
s以上，交联度达10%以上。
[0035]
⑥
采用经预交联且粘度达一定值的改性环氧树脂浇注模具，然后转移至烘箱中采用优选的三温段固化制度进行固化，其中三温段固化制度为t
1 1～3小时，t
2 1～3小时，t
3 1～3小时。
[0036]
⑦
封装固化后，进行高温后处理12小时，进一步提升树脂交联度的同时完成封装工作。
[0037]
此外，现有的材料配比选用700g的氧化铝填料,188g的ag80环氧树脂，112g的dds固化剂，改进后的材料配比选用700g的氧化铝填料,163g的e-51环氧树脂，137g的bc12固化剂。额外改进的材料配比选用650g的氧化铝填料,175g的839a环氧树脂，175g的839b环氧树脂。
[0038]
综上，实验1具体为：选用700g的氧化铝填料,188g的ag80环氧树脂，112g的dds固化剂通过搅拌加热后直接浇注到带有电热丝4的模具中进行封装套3的制备。
[0039]
实验2具体为：选用700g的氧化铝填料,163g的e-51环氧树脂，137g的bc12固化剂通过搅拌加热后直接浇注到带有电热丝4的模具中进行封装套3的制备。
[0040]
实验3具体为：选用700g的氧化铝填料,188g的ag80环氧树脂，112g的dds固化剂，根据dsc、粘度测试、原位显微红外和可见光透过率测试结果，选取t1为130oc，t1为60min。改性环氧树脂体系搅拌均匀后加入搅拌罐中，130oc搅拌预交联60min后浇注模具，浇注完成后模具在130oc1小时 150oc3小时 170oc4小时的固化制度下进行封装套3的制备。
[0041]
实验4具体为：选用700g的氧化铝填料,163g的e-51环氧树脂，137g的bc12固化剂，根据dsc、粘度测试、原位显微红外和可见光透过率测试结果，选取t1为70oc，t1为120min。改性环氧树脂体系搅拌均匀后加入搅拌罐中，70oc搅拌预交联2.0小时后浇注模具，浇注完成后模具在70oc3小时 90oc3小时 110oc3小时的固化制度下进行封装套3的制备。
[0042]
实验5具体为：选用650g的氧化铝填料,175g的839a环氧树脂，175g的839b环氧树脂，根据dsc、粘度测试、原位显微红外和可见光透过率测试结果，选取t1为75oc，t1为90min。将改性环氧树脂体系搅拌均匀后加入搅拌罐中，75oc搅拌预交联90min后浇注模具，浇注完成后模具在75oc3小时 85oc 3小时 95oc3小时的固化制度下进行封装套3的制备。
[0043]
样品制作完成后进行性能测试，可以预见的是，实验1散热效果最差，实验2次之，实验3-5合格，由此可知封装工艺对于封装套3的散热性能影响最大。
[0044]
为了进一步明确封装工艺对于封装套3结构的影响，在变色时间记录完后，将全部带有电热丝4的封装套3从测试仓1中取出，从封装套3上、中、下三区域分别取一块1
×1×
1cm的立方块；然后采用排水法密度计测试立方块密度，分别记为，取平均值记为，并按照下式计算沉降率：。
[0045]
计算结果如下表所示：
根据上表数据可知，封装工艺能够影响改性环氧树脂的沉降率，进而能够影响散热性能。另外采用扫描电镜表征三块立方块表面颗粒分布情况，对比分析三块区域内颗粒分布是否均匀（图8为实验5中的），很明显实验5的颗粒分布最为均匀。因此根据对全部不同种类的封装套3进行沉降率数据和扫描电镜的表征图像进行分析，能够判断基本因封装工艺的差别导致了封装套3散热性能的差异，材料配比之间也会对散热性能有所影响，但是相比封装工艺带来的影响还较小。自此通过上述结论可为今后对环氧树脂的散热性能的提升提供明确的技术升级方向。
[0046]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。