[发明专利]线材的导热性电绝缘涂层

说明书

涂层组合物包含：片状剥落式氮化硼纳米片材(BNNS)；和热塑性聚合物基质，其中涂层组合物：(i)具有大于或等于1.0W/mK的导热率；(ii)具有高于或等于20kV/mm的电击穿电压；和(iii)具有柔韧性。涂层组合物还可包含与多个辅粒子的表面结合的片状剥落式BNNS，其使BNNS的平面不平行于电磁线材的纵向轴线定位。不平行定位提高了通过涂层的导热率。聚合物基质可以是聚酯酰亚胺、聚酰胺‑酰亚胺、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酮、或其组合。形成涂层的方法包括形成片状剥落式BNNS；将第一单体与第二单体组合，形成热塑性聚合物基质；和致使或允许片状剥落式BNNS分散在整个热塑性聚合物基质中。

技术领域

导热性和电绝缘材料可用作电磁线材(wires)上的涂层。该材料可包括分散在聚合物基质(matrix)中的导热性和电绝缘氮化硼纳米片材(sheets)。

附图说明

某些实施方式的特征和优点将在结合附图考虑时更容易被理解。附图不应被解释为限制任何优选实施方式。

图1是以瓦/米-开尔文(W/mK)为单位的导热率vs以体积百分数(v％)为单位的氮化硼填料体积分数的图。

图2是根据某些实施方式的用于电磁线材的复合涂层的示意图。

详细描述

电磁线圈包括以线圈、螺形(spiral)或螺旋(helix)各种构型缠绕的电导体，如线材。电磁线圈可用于诸如马达、电感器、电磁体、变压器和传感器线圈的装置中。电流通过线圈的线材产生磁场，或者相反地，通过线圈内部的外部随时间变化的磁场在导体内产生电压。导热性和电绝缘聚合材料对于涂覆电磁线圈的线材是非常需要的。涂层应具有预期高的导热性、高柔韧性和低导电性。

通过热传导从电线圈去热已被证明使这些装置以更高的输出更有地运行，或者提供更长的服役寿命。由于聚合物的导热性低，常规的涂层材料一般是以陶瓷作为填料的聚合物复合材料。陶瓷材料，尤其是非氧化物，由于其晶体结构和化学键特性，总体上是比聚合物复合材料更好的导热体。为了改善聚合物的导热性，填料的一般体积分数需要是聚合物的50体积％(v％)或者更高。然而，这种高浓度的填料可产生问题，例如，随着填料浓度增加，聚合物涂层的柔韧性会大大受损。

材料的导热性包括两种组分——电传导和声子传输。作为介电材料，有机聚合物通过非谐弹性波在连续体(continuum)中的传播或被称为声子的热能量子之间的相互作用来传导热量。导致有限导热性和热弹性波能量耗散的主要过程是与声子散射相应的声子-声子相互作用。除声子-声子相互作用外，聚合物系统中有限的晶格框架也显著提高非谐性，并导致高度声子散射，这缩短了声子能够行进的平均自由程(free-mean path)。声子的平均自由程的减少从而降低了导热性。因此，一些聚合物具有低导热率，总体上在0.1至约0.5瓦/米-开尔文(W/m·K)的范围内，这主要是聚合物的无规结构造成的。

为了提高聚合物的导热性，一种常见的方法是添加导热性陶瓷粉末，常被称为导热性填料。陶瓷-聚合物复合材料的导热率总体上随陶瓷浓度增加而非常浅薄地增加。只有当浓度达到约70v％的渗漏极限时，显著的导热率提高才会实现。与较低的填料浓度相比，这种情况下的导热率可以提高几乎50倍，其总导热率达到10W/mK以上。除了高导热率外，涂层还应当是柔韧的，以允许线材弯曲而不导致涂层破裂。然而，在这样高的陶瓷负载下，聚合物复合材料不是非常柔韧或柔性的，因此作为电磁线材的釉质涂层的用途总体上是不切实际的或不可能的。

除了高导热性和柔韧性外，涂层还应具有低导电性；从而限制通过涂层的电子转移和提高线圈的电输出。在另一方法中，更具导热性的石墨烯或石墨已被用作填料。这些填料的导热率可以提高到25W/mK，同时保持聚合物复合材料具有相当柔性。然而，由于在石墨烯或石墨中的高电子迁移率，导电率过高而不能用作电磁线材的电绝缘涂层。