專利名稱：Htc樹枝狀填料的形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及在樹脂基質(zhì)中形成樹枝狀結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
使用任何形式的電氣設(shè)備都需要對導(dǎo)體進(jìn)行電絕緣。隨著尺寸的不斷縮小和對所有電氣和電子系統(tǒng)的流水線化，產(chǎn)生了對更好更緊湊的絕緣體和絕緣系統(tǒng)的相應(yīng)需要。
各種環(huán)氧樹脂材料由于其是可以很容易地粘附在表面上的堅(jiān)固和柔性的電絕緣材料的實(shí)用優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于電絕緣系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電絕緣材料如云母薄片和玻璃纖維可利用這些環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂覆和粘結(jié)，以制造具有更高機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性和電絕緣性能的復(fù)合材料。在很多情形下，環(huán)氧樹脂已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的清漆，盡管所述材料在某些高壓電氣設(shè)備中仍繼續(xù)應(yīng)用。
好的電絕緣體，由于其本身的性質(zhì)，往往也是好的絕熱體，而這是不合乎需要的。特別是對于空氣冷卻的電氣設(shè)備和零件來說，絕熱特性會降低零件以及設(shè)備總體的效率和耐久性?？扇〉氖侵圃炀哂凶畲箅娊^緣和最小絕熱特性的電絕緣系統(tǒng)。
電絕緣往往以絕緣帶的形式出現(xiàn)，它們本身具有各種層。為這類絕緣帶所共有的是粘結(jié)在與纖維層界面處的紙層，上述兩個層往往都用樹脂浸漬。 一類很受歡迎的絕緣材料是云母帶。對云母帶的改進(jìn)包括如美國專利US6,103,882中所教導(dǎo)的催化云母帶。云母帶可被纏繞在導(dǎo)體周圍以提供極好的電絕緣。圖l顯示了這樣一個例子。這里所顯示的是一個線圈13,包括多匝導(dǎo)體14,其在此處所示例子中被組裝成電木線圏。線匝絕緣15是由纖維狀材料例如玻璃或熱處理過的玻璃和滌綸制備的。線圏的對地絕緣是通過在電木線圏14周圍纏繞一或多層復(fù)合材料云母帶16提供的。所述復(fù)合材料帶可以是與可彎片基18結(jié)合在一起的小云母薄 片的紙或氈，其中所述可彎片基18由例如玻璃纖維布或聚對苯二曱酸乙 二醇酯墊或膜構(gòu)成，云母層20由液體樹脂粘合劑粘于其上。通常，根據(jù) 電壓要求在線圈周圍纏繞多層所述復(fù)合材料16?？梢韵蚓€圈上施加由堅(jiān) 固纖維狀材料例如玻璃纖維構(gòu)成的外帶21的包裹。
通常，在線圏周圍纏繞多層云母帶16,對于高壓線圏通常使用16層 或16層以上。然后將樹脂浸入所述帶層中。樹脂甚至可以獨(dú)立于所述絕 緣帶被用作絕緣。不幸的是，這種數(shù)量的絕緣僅進(jìn)一步加重了散熱的復(fù) 雜性。需要的是導(dǎo)熱比習(xí)用方法的電絕緣更好但不會犧牲電絕緣性以及 包括機(jī)械性能和熱性能在內(nèi)的其它性能要素的電絕緣。
現(xiàn)有技術(shù)還存在其它難點(diǎn)，其中某些將通過進(jìn)一步的閱讀表現(xiàn)出來。
發(fā)明概述
高導(dǎo)熱率(HTC)有機(jī)-無機(jī)雜化材料可以由離散的兩相有機(jī)-無機(jī) 復(fù)合材料、由基于分子合金的有機(jī)-無機(jī)連續(xù)相材料、和由離散的有機(jī)-樹枝狀化合物復(fù)合材料形成，'其中在所述樹枝狀化合物核-殼結(jié)構(gòu)之內(nèi)|所 述有機(jī)-無機(jī)界面是非離散的?？梢孕纬蛇B續(xù)相材料結(jié)構(gòu)，其通過保證結(jié) 構(gòu)單元的長度規(guī)模比擔(dān)負(fù)熱傳輸?shù)穆曌?phonon)分布短或與之相當(dāng)而 增強(qiáng)了聲子輸送和降低了聲子散射，和/或如通過提高所述基質(zhì)的總的結(jié) 構(gòu)有序性和/或通過有效消除或減少所述復(fù)合材料內(nèi)的界面聲子散射而 減少了聲子散射中心的數(shù)目。
通過在線性或交聯(lián)聚合物(包括熱塑性塑料)和熱固性樹脂中并入 無機(jī)、有機(jī)或有機(jī)-無機(jī)雜化的納米顆粒，可以形成連續(xù)的有機(jī)-無機(jī)雜 化物，在所述聚合物和熱固性樹脂中納米顆粒尺寸等于或小于所述聚合 物或網(wǎng)絡(luò)鏈段長度(一般為l-50nm或更大)的數(shù)量級。這些各種類型的 納米顆粒將包含反應(yīng)性表面，以形成緊密共價連接的雜化型有機(jī)-無機(jī)均 勻材料。對于可以彼此反應(yīng)或者與基質(zhì)聚合物或反應(yīng)性樹脂反應(yīng)形成連 續(xù)材料的無機(jī)-有機(jī)樹枝狀化合物來說，存在類似的要求。對離散和非離 散的有機(jī)-無機(jī)雜化物來說，都可以利用溶膠-凝膠化學(xué)來形成連續(xù)的分 子合金。產(chǎn)生的材料將顯示比傳統(tǒng)的電絕緣材料更高的熱導(dǎo)率，且可在 傳統(tǒng)的云母-玻璃帶構(gòu)造中用作粘合樹脂，當(dāng)被用作未反應(yīng)的真空-壓力浸漬樹脂和用作獨(dú)立的材料以在旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)發(fā)電廠以及在高壓(約5 kV 以上)和低壓(約5kV以下)電氣設(shè)備、部件和產(chǎn)品中滿足電絕緣應(yīng)用時。
具有規(guī)定物理性質(zhì)和性能特征的工程電絕緣材料基于在存在有機(jī) 基質(zhì)材料的情況下使用納米到微米尺寸的無機(jī)填料的形成，要求產(chǎn)生可 以與所述有機(jī)基質(zhì)形成親密界面的顆粒表面。這可以通過以下手段實(shí) 現(xiàn)將化學(xué)基團(tuán)移植到所述填料的所述表面上，以使所述表面與所述基 質(zhì)化學(xué)上和物理上相容，或者所述表面可以包含能與所述有機(jī)基質(zhì)反應(yīng) 以在所述顆粒與所述基質(zhì)之間形成共價鍵的化學(xué)活性官能團(tuán)。納米到微 米尺寸的無機(jī)填料在存在有機(jī)基質(zhì)材料的情況下的使用要求制造的顆
質(zhì)。'、大多數(shù)無機(jī)材料不允許獨(dú)立選擇結(jié)構(gòu)特性如形狀、尺寸和性質(zhì)以適 合不同的電絕緣應(yīng)用或獲得具有性質(zhì)與性能的正確平衡的復(fù)合材料。這 可以通過選擇具有適當(dāng)整體性質(zhì)以及形狀和尺寸特性的顆粒，然后對表 面和界面性質(zhì)以及其它特性進(jìn)行改性以獲得對電絕緣應(yīng)用需要的復(fù)合 材料性質(zhì)和性能額外控制來實(shí)現(xiàn)。這可以通過所述顆粒的適當(dāng)表面涂層 來實(shí)現(xiàn)，其可能包括制造金屬和非金屬的無機(jī)氧化物、氮化物、碳化物 和混合體系以及包括反應(yīng)性表面基團(tuán)的有機(jī)涂層，其中所述反應(yīng)性表面 基團(tuán)能夠與在所述電絕緣系統(tǒng)中充當(dāng)所述基質(zhì)材料的適當(dāng)有機(jī)基質(zhì)反 應(yīng)。產(chǎn)生的呈未反應(yīng)的或部分反應(yīng)的形式的雜化材料和復(fù)合材料可在云 母-玻璃帶構(gòu)造中用作粘合樹脂，在傳統(tǒng)的云母帶構(gòu)造、其它玻璃纖維、 碳纖維以及疊層型和織物復(fù)合材料中用作未反應(yīng)的真空-壓力浸漬樹脂 和用作獨(dú)立的材料來滿足在旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)發(fā)電廠以及高壓和低壓電氣設(shè) 備、部件和產(chǎn)品中的電絕緣應(yīng)用。
為提高聲子通過高導(dǎo)熱率(HTC)浸漬介質(zhì)的傳輸，需要將所述HTC 材料之間的平均距離縮短到小于平均聲子行程長度，或者需要一種其中 聲子平均自由程很大的介質(zhì)。這降低了聲子散射和產(chǎn)生了聲子遠(yuǎn)離熱源 的更大凈流量或通量。如果所述樹脂材料粘性較小，則其可被滲透到基 質(zhì)介質(zhì)如多層絕緣帶中。
由于相鄰和鄰接的HTC顆粒的固有緊密性以及它們的總體有序度， HTC樹枝狀結(jié)構(gòu)能成為良導(dǎo)熱體。這些結(jié)構(gòu)可以為數(shù)百和數(shù)千顆粒長且 可以有支鏈，與相同樹脂內(nèi)的其它樹枝狀結(jié)構(gòu)之間具有許多互連，它們一起構(gòu)成浸透網(wǎng)絡(luò)。為形成所述樹枝狀填料，表面官能化的HTC材料彼 此反應(yīng)，或者所述填料由于顆粒間力的結(jié)果自組裝。樹枝狀結(jié)構(gòu)的支鏈 越多，所述顆粒相在所述填充的樹脂中的互連性越好。因此具有許多連 接顆粒結(jié)構(gòu)和顆粒-顆粒相互作用將產(chǎn)生具有更大熱導(dǎo)率的填充的樹脂。
所述樹枝狀結(jié)構(gòu)是由拾取(pickup) HTC構(gòu)造塊的HTC種子在所述 樹脂之內(nèi)形成的。更多的種子結(jié)合到已經(jīng)拾取的構(gòu)造塊上，所述樹枝狀 結(jié)構(gòu)如此生長。所述HTC種子和構(gòu)造塊是本文所述的所述HTC材料，且 它們既通過物理作用又通過表面官能化基團(tuán)的存在而彼此結(jié)合在一起。 如下所述，根據(jù)樹脂的應(yīng)用它們兩個可以通過各種技術(shù)結(jié)合。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可由在主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)形 成HTC樹枝狀填料的方法的具體實(shí)施方案提供，其中所述方法包括向所 述主體樹脂基質(zhì)中添加HTC種子。所述HTC種子經(jīng)過了表面官能化，以 基本上不彼此反應(yīng)。然后所述種子聚集HTC構(gòu)造塊，且所述HTC構(gòu)造塊 同樣經(jīng)過了表面官能化以基本上不彼此反應(yīng)。然后用所述HTC種子組裝 所述HTC構(gòu)造塊，以在所述主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填料。
在具體實(shí)施方案中，所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子反應(yīng)，意味著 它們兩者之間的表面官能化的基團(tuán)彼此相互反應(yīng)。在其它實(shí)施方案中， 所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子相互作用，意味著存在物理的顆粒-顆粒 相互作用。
在其它實(shí)施方案中，通過將添加有HTC種子的所述主體樹脂浸漬到 含有所述HTC構(gòu)造塊的多孔介質(zhì)中，聚集所述HTC構(gòu)造塊。所述多孔介 質(zhì)可以為復(fù)合材料帶，也可以為天然有機(jī)或無機(jī)聚合物纖維基質(zhì)，或織物。
在進(jìn)一步的其它實(shí)施方案中，通過將所述HTC構(gòu)造塊混合到所述主 體樹脂基質(zhì)中來聚集所述HTC構(gòu)造塊。在相關(guān)實(shí)施方案中，在聚集之后 使所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子的反應(yīng)以慢化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。并且在添 加促進(jìn)劑如環(huán)烷酸鋅、乙酰丙酮鉻、三千基氯化錫、三千基醋酸錫和/ 或鈦酸四丁酯之后，所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
在更進(jìn)一步的其它相關(guān)實(shí)施方案中，所述HTC種子經(jīng)過表面官能化 以具有平均一個以上表面官能團(tuán)?；蛘撸鯤TC構(gòu)造塊經(jīng)過表面官能 化以具有平均一個以上表面官能團(tuán)。所述HTC種子可以選自氧化硅、氮 化硼、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁和氮化硅，且所述HTC構(gòu)造塊可以選自氮化硼、氧化鋁和氧化硅。
在其它相關(guān)實(shí)施方案中， 一定百分比的所述HTC種子被移植到所述
主體樹脂基質(zhì)，且所述HTC種子可以在所述HTC構(gòu)造塊的聚集之前被移 植到所述主體樹脂基質(zhì)。所述HTC樹枝狀填料占所述主體樹脂基質(zhì)的
積比在約2:1-1:4的范圍內(nèi)。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種在樹脂浸漬的多孔介質(zhì)中形成 HTC樹枝狀結(jié)構(gòu)的方法，包括獲得主體樹脂和向所述主體樹脂中添加 HTC種子。所述HTC種子基本上不彼此反應(yīng)，且一定百分比的所述HTC 種子被移植到所述主體樹脂。此百分比可以變化，但應(yīng)當(dāng)至少為5%。然 后將HTC構(gòu)造塊插入多孔介質(zhì)，其中所述HTC構(gòu)造塊基本上不彼此反 應(yīng)。此方法還包括將所述主體樹脂浸漬到所述多孔介質(zhì)中，在其中所述 主體樹脂從所述主體介質(zhì)拾取HTC構(gòu)造塊，并使所述HTC構(gòu)造塊與所述 HTC種子反應(yīng)和相互作用以在所述主體樹脂基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填 料。然后固化所述主體樹脂。
在相關(guān)實(shí)施方案中，基本上所有所述HTC種子都與所述HTC構(gòu)造塊 起反應(yīng)。該方法還可以進(jìn)一步包括將額外的構(gòu)造塊直接混合到所述主體 樹脂中。在其它具體實(shí)施方案中，基本上所有所述HTC種子都被移植到 所述主體樹脂，且所述多孔介質(zhì)為復(fù)合材料帶。
本發(fā)明還存在其它實(shí)施方案，其在進(jìn)一步閱讀以下詳細(xì)說明之后將 可明顯看出。
附圖
簡述
下面將參照以下附圖通過舉例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地解釋:
圖l顯示了絕緣帶被重重纏繞在定子線圈上的應(yīng)用。
圖2顯示在本發(fā)明的加載的樹脂中傳播的聲子。
圖3顯示了穿過定子線圈的熱流。
圖4顯示了樹枝狀結(jié)構(gòu)的一個例子。
發(fā)明詳述
高導(dǎo)熱率(HTC)復(fù)合材料包括結(jié)合有填料的樹脂主體網(wǎng)絡(luò)，其中 所述填料為兩相有機(jī)-無機(jī)雜化材料。所述有機(jī)-無機(jī)雜化材料由兩相有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料、由基于分子合金的有機(jī)-無機(jī)連續(xù)相材料、和由離散 的有機(jī)-樹枝狀化合物復(fù)合材料形成，其中在所述離散的有機(jī)-樹枝狀化 合物復(fù)合材料中所述有機(jī)-無機(jī)界面與所述樹枝狀化合物核-殼結(jié)構(gòu)是非 離散的。通過保證所述結(jié)構(gòu)單元的長度規(guī)模比擔(dān)負(fù)熱傳輸?shù)穆曌臃植级?或與之相當(dāng)而提高了聲子傳輸和降低了聲子散射。
兩相有機(jī)-無機(jī)雜化物可以通過在線性或交聯(lián)聚合物(熱塑性塑料) 和熱固性樹脂中并入無機(jī)微米、介觀或納米顆粒形成。主體網(wǎng)絡(luò)包括聚 合物和其它類型的樹脂，其定義如下。 一般而言，充當(dāng)主體網(wǎng)絡(luò)的所述 樹脂可以是與所迷顆粒相容和如果需要的話能與引入到所述填料表面 上的基團(tuán)反應(yīng)的任何樹脂。納米顆粒的尺度量級一般等于或小于所述聚
合物網(wǎng)絡(luò)鏈段的長度。例如l-30nm。所述無機(jī)顆粒包含反應(yīng)性表面以形 成共價鍵連接的雜化有機(jī)-無機(jī)均勻材料。所述顆?？梢詾檠趸铩⒌?物、碳化物，以及所述氧化物、氮化物和碳化物的雜化化學(xué)計(jì)量的和非 化學(xué)計(jì)量的混合物，其更多例子如下。
所述無機(jī)顆粒被表面處理以引入能參與與所述主體網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)的 各種表面官能團(tuán)。所述表面官能團(tuán)包括但不限于羥基、羧基、胺基、環(huán) 氧基、硅烷基和乙烯基。所述基團(tuán)可以采用濕化學(xué)方法、非平衡等離子 體方法、化學(xué)氣相和物理氣相沉積、賊射離子鍍以及電子和離子束蒸發(fā) 方法施力口。
所述離散的有機(jī)-樹枝狀化合物復(fù)合材料可以彼此反應(yīng)或與所述樹 脂基質(zhì)反應(yīng)以形成單一材料。所述樹枝狀化合物的表面可以包含與上述 那些類似的反應(yīng)性基團(tuán)，其將使得可以發(fā)生樹枝狀化合物-樹枝狀化合物 或樹枝狀化合物-有機(jī)基質(zhì)反應(yīng)。所述樹枝狀化合物將具有無機(jī)殼和含有 所述所需反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)核。它也可以具有帶無機(jī)殼的有機(jī)核，其中 所述無機(jī)殼也包含如羥基或硅烷基等能參與類似于常見的溶膠-凝膠化 學(xué)中涉及的那些無機(jī)反應(yīng)的反應(yīng)性基團(tuán)。
對于非離散的有機(jī)-無機(jī)雜化物的使用來說，可以利用溶膠-凝膠化 學(xué)來形成連續(xù)的分子合金?？梢允褂蒙婕昂驘o水反應(yīng)的凝膠溶膠-化學(xué)性質(zhì)。用于形成有機(jī)-無機(jī)雜化物的其它化合物包括多面體低聚倍半 硅氧烷(POSS)、原硅酸四乙酯(TEOS)和原鈥酸四丁酯(TBOT) 以及相關(guān)單體和低聚雜化化合物等被有機(jī)官能化的無機(jī)化合物。在POSS 的例子中，分子圍繞構(gòu)造塊R-SiCh.5建立，其中選擇所述R基與其它有機(jī)化合物和所述主體網(wǎng)絡(luò)相容和/或反應(yīng)。所述基體化合物可以結(jié)合以產(chǎn)生
與聚合物鏈段和線圈結(jié)構(gòu)的尺寸相當(dāng)?shù)母蠓肿印OSS可被用于生成有
機(jī)-無機(jī)雜化物且可被移植到現(xiàn)有的聚合物和網(wǎng)絡(luò)中以控制包括熱導(dǎo)率
在內(nèi)的性質(zhì)。所述材料可以從例如Aldrich Chemical Co. 、 Hybrid Plastics Inc.和GelestiM Inc.等供應(yīng)商獲得。
如上所述，重要的是控制所述材料的結(jié)構(gòu)形式以降低聲子散射。這 可能通過使用已知其基質(zhì)顯示高導(dǎo)熱率的納米顆粒和保證粒徑及其與 所述樹脂的界面特性足以支持此效果，以及滿足減少聲子散射所要求的 長度規(guī)模，得到進(jìn)一步促進(jìn)。選擇更高度有序的結(jié)構(gòu)也將有益于此，包 括同時具有較短和較長范圍周期的反應(yīng)的樹枝狀晶格以及可以由主體 樹脂如液晶環(huán)氧樹脂類和聚丁二烯形成的梯狀物或有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
所述填充的樹脂可在各種工業(yè)如電路板和絕緣膠帶中用作粘合樹 脂。 一類具體的絕緣帶是用于發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的云母-玻璃帶。在這些類型的 帶中，樹脂可被用作粘合樹脂，或如本領(lǐng)域已知的那樣用作浸漬樹脂。 所述填充的樹脂還可不用膠帶而用于發(fā)電機(jī)領(lǐng)域以滿足轉(zhuǎn)動和靜止電 氣裝置零件中電絕緣應(yīng)用。
所述帶可以在應(yīng)用于電學(xué)目的之前或之后用樹脂浸漬。樹脂浸漬技 術(shù)包括VPI和GVPI,下面進(jìn)行詳述。在VPI中， 一旦膠帶被層疊和浸漬 之后即被壓縮。 一旦就位，壓縮的膠帶中的樹脂就被固化，這有效地鎖 定了HTC材料的位置。在某些實(shí)施方案中，樹脂被分兩步固化，這對本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。然而，加載的HTC材料的最佳壓 縮有利于在壓縮階段期間完全未固化的樹脂。
圖2顯示了本發(fā)明的一個實(shí)施方案。其中顯示了加載到樹脂基質(zhì)32 中的HTC材料30。穿過所述基質(zhì)運(yùn)動的聲子34具有平均行程長度n,這 就是所述聲子平均自由程。根據(jù)所述樹脂基質(zhì)的確切組成，此行程長度 可以變化，但對于諸如環(huán)氧樹脂之類的樹脂來說其通常為2-100nm,更 典型地5-50nm。因此，加載的HTC材料之間的平均距離平均應(yīng)當(dāng)小于此 長度。請注意，所述HTC材料之間的距離可以在所述帶的厚度對橫向上 變化，且通常是所述厚度方向的間隔需要優(yōu)化。
在聲子34穿過所述樹脂32運(yùn)動時，它們往往趨向于沿所述嵌入的 HTC材料30通過。由于所述HTC原材料的熱導(dǎo)率為10-1000 W/mK,而所 述樹脂的熱導(dǎo)率為約0.1-0.5 W/mK,所以這將提高局部的聲子通量。隨著聲子沿加載的HTC材料通過，如果此HTC材料與下一HTC材料之間的 距離小于n則聲子36將傳到下一HTC材料，由此所述HTC材料形成互連 的網(wǎng)絡(luò)。圖2顯示一種理想化的行程。實(shí)際上在所述聲子通過所述樹脂 與所述HTC材料之間時將存在聲子散射，不過，所述材料之間的所述距 離越短，在所述HTC材料與所述樹脂之間的聲子傳播特性的匹配越好， 散射越少。
加載在所述樹脂中的HTC材料量實(shí)際上可能十分低，例如如圖2所 示為約10%。因此，加載的HTC材料之間的平均距離或長度規(guī)?？赡苌?大于n,但是，大部分仍將小于n,因此仍在本發(fā)明的實(shí)施方案之內(nèi)。在 特定實(shí)施方案中，與下一HTC材料的距離小于n的材料百分比為50%以 上，在特定實(shí)施方案中為75%以上。在特定實(shí)施方案中，所述HTC材料 的平均長度大于n,這能進(jìn)一步促進(jìn)聲子傳輸。
n越短則加載的HTC材料的濃度越大，反之，所述粒徑越大，則所 需的HTC材料越少。特定實(shí)施方案使用占所述樹脂和填料總體積5-60% 的加載的HTC材料，在特定實(shí)施方案中為25-40%。當(dāng)所述樹脂被浸漬到 所述帶中時，其將充滿所述帶纖維與基材之間的空間。但是，在這里所 述帶內(nèi)的所述HTC分布往往不是最優(yōu)化的，且HTC材料之間的平均距離 甚至可能大于n。而本發(fā)明的實(shí)施壓縮了所述樹脂浸漬的帶和縮小了所 述加載的HTC材料之間的距離。
在加載的樹脂被滲透到帶中時，所述帶的纖維或顆粒阻礙了某些所 述HTC材料，特別當(dāng)所述樹脂30%或30%以上為填料時。但是，通過壓 縮所述帶，會發(fā)生相反情況，隨著所述HTC材料將自己附著到整個結(jié)構(gòu) 的不動部分上將會有更多的填料-故保留在所述帶之內(nèi)。所述HTC填料甚 至被彼此釘住。在所給實(shí)施方案中，暗示了所述填料不與所述樹脂基質(zhì) 反應(yīng)，但是，在某些實(shí)施方案中所述填料會與所述樹脂形成共價鍵并形 成更均勻的基質(zhì)。在均勻基質(zhì)中，在壓縮期間結(jié)合在填料上的所述樹脂 分子將比未結(jié)合的樹脂分子更容易被留住。
樹脂被用于許多工業(yè)，且具有大量的應(yīng)用。樹脂的不同特性不僅影 響其應(yīng)用，還影響使用它們的產(chǎn)品的品質(zhì)和效率。例如，當(dāng)樹脂被用于 電絕緣應(yīng)用時，它們的介電強(qiáng)度和耐壓特性必須4艮高，熱穩(wěn)定性和耐熱 性同樣也必須很高。然而，與這些宗旨往往相反，樹脂通常會具有低熱 導(dǎo)率。本發(fā)明平衡了樹脂和引入了它們的絕緣系統(tǒng)的各種物理性能以制造一種具有比傳統(tǒng)的電絕緣材料更高的熱導(dǎo)率并同時保持足夠的、甚至 提高的關(guān)鍵物理性能如介電強(qiáng)度、耐壓性、熱穩(wěn)定性和耐熱性、機(jī)械強(qiáng) 度和粘彈響應(yīng)的體系。由熱和機(jī)械循環(huán)作用引起的應(yīng)力導(dǎo)致的分層和微
孔生成被減少或消除。在此，術(shù)語樹脂是指所有樹脂和環(huán)氧樹脂，包括 改性環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯、聚酰亞胺、聚酯酰亞胺、聚醚酰亞胺、 雙馬來酰亞胺、有機(jī)硅樹脂、聚硅氧烷、聚丁二烯、氰酸酯、烴等，以 及這些樹脂的均勻混合物。樹脂的此定義包括添加劑如交聯(lián)劑、促進(jìn)劑
及其它催化劑和加工助劑。某些樹脂，如液晶熱固性材料(LCT)和1,2-乙烯基聚丁二烯結(jié)合了低分子量特性與良好的交聯(lián)性質(zhì)。所述樹脂可以 是有機(jī)基質(zhì)的，如有和沒有雜原子的烴，無機(jī)基質(zhì)的，含硅酸鹽和/或硅 鋁酸鹽組分，以及有機(jī)與無機(jī)基質(zhì)的混合物。有機(jī)基質(zhì)的例子包括聚合 物或反應(yīng)性熱固性樹脂，如果需要的話，其可以與引入到無機(jī)顆粒表面 上的反應(yīng)性基團(tuán)反應(yīng)。也可向所述樹脂中添加交聯(lián)劑以控制最終的交聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和鏈段長度分布，其可以對熱導(dǎo)率有正面影響。此熱導(dǎo)率的 提高也可通過使用其它樹脂添加劑如催化劑、促進(jìn)劑及其它加工助劑進(jìn) 行改性而獲得。某些樹脂，如液晶熱固性材料(LCT)和l,2-乙烯基聚 丁二烯結(jié)合了低分子量特性與良好的交聯(lián)特性。這些類型的樹脂往往導(dǎo) 熱性更好，因?yàn)樗鼈冏咏Y(jié)構(gòu)的提高的微觀和宏觀有序化改善了聲子的傳 輸從而可能導(dǎo)致熱傳導(dǎo)增強(qiáng)。聲子傳輸?shù)卦胶茫瑐鳠峋驮胶谩?br> 當(dāng)本發(fā)明的高導(dǎo)熱率填料與樹脂混合時，它們形成連續(xù)的產(chǎn)品，因 為在所述樹脂與所述填料之間不存在界面。有時，在所述填料與所述樹 脂之間會形成共價鍵。不過，連續(xù)在某種程度上是主觀的，取決于觀察 者采用的尺度。在宏觀尺度上產(chǎn)品是連續(xù)的，但在納米尺度上在所述填 料與所述樹脂網(wǎng)絡(luò)之間可能仍存在不同的相。因此，當(dāng)談及高導(dǎo)熱率填 料與所述樹脂混合時，它們在宏觀尺度上形成連續(xù)的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材 料，而在微觀尺度上同一混合物可被稱為雜化物。
如上所述，所述填充的樹脂可以不用膠帶而用于發(fā)電機(jī)領(lǐng)域以滿足 轉(zhuǎn)動和靜止電氣設(shè)備零件中的電絕緣應(yīng)用。高導(dǎo)熱率材料在發(fā)電機(jī)中的 應(yīng)用很多。在定子線圏之內(nèi)，除了主絕緣(groundwall)之外為優(yōu)化設(shè) 計(jì)還存在其它必須具有高導(dǎo)熱率的部件材料。同樣還有與線圈相關(guān)的其 它部件，以最大化散熱。定子設(shè)計(jì)的改進(jìn)要求也必須對轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)進(jìn)行改 進(jìn)，以使發(fā)電機(jī)效率最大化。位置的例子包括束間絕緣、內(nèi)部電暈防護(hù)(ICP)系統(tǒng)、外部電暈防護(hù) (OCP)系統(tǒng)、包括填充和預(yù)加壓的激勵級的底部、中央和頂部填料
(PSDS-頂端波狀彈簧)；側(cè)面填料、疊層、和側(cè)面PSDS、線圏中央隔 板或刀、線圈換位填料、定子楔、芯絕緣、金剛石隔離物、支柱或支架、 端纏繞粘合樹脂和可壓縮的填隙料、連接器絕緣、平行環(huán)絕緣和平行環(huán) 支撐結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子中，例子包括室襯或槽襯、匝間絕緣、匝對地整體的 絕緣、端蓋絕緣、盲端、徑向銷和導(dǎo)線和槽頂部封隔器或"U"。
為清楚起見，參照圖3，顯示了穿過定子線圈的熱流ll的橫截面視 圖。此圖描述的定子線圈包括銅股線5、交叉股線6、底部、中央和頂部 填料4,主絕緣7，以及中央隔板8和其它部件。
上述部件或材料可通過各種手段制造，包括層壓、擠出、模制和其 它本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的工藝。用于定子線圏的構(gòu)造材料為銅和絕緣 體。所述銅是束形式的，其通常被絕緣、組裝和轉(zhuǎn)變成電木線圏或電堆。 所述電木線圈與主絕緣絕緣，但存在與之相聯(lián)系的電應(yīng)力控制層。影響 定子線圈熱傳導(dǎo)率的主要部件是所述主絕緣，但其它部件也能從類似的 改進(jìn)中受益。例如，在定子線圏構(gòu)造中采用的所述應(yīng)力控制及其它系統(tǒng) 可一般為從銅到定子芯的絕緣厚度的10-20%。在有些情況下，建議通過
又例如，內(nèi)應(yīng)力控制層可以由4氐導(dǎo)電率層構(gòu)成，其可以直接或通過 電阻連接到所述銅或與之絕緣。在所述情形下，可以在施加所述低導(dǎo)電 率層之前向所述電木線圏表面施加一絕緣層。為了連接或使所述表面平 滑可以向所述電木線圏上施加絕緣帶或片，以填充空隙區(qū)。然后在所述 低導(dǎo)電率層之后可以施加額外的 一或多層具有所要求性質(zhì)的材料。這可 用于電學(xué)目的如應(yīng)力控制或絕緣。
在施加了主絕緣之后，向所述線圈的表面施加一或多層低導(dǎo)電率層 以保證與芯部的良好連接，消除局部放電和阻止反彈(bounce)作用， 同時避免芯疊片短路。在專利文獻(xiàn)中還記述了其中此低導(dǎo)電率層具有施 加于其上的絕緣層的應(yīng)用。由此所述外電暈防護(hù)系統(tǒng)可以包括低導(dǎo)電率 絕緣和部分絕緣層。
為控制定子端部區(qū)域的電應(yīng)力，還在所述線圏直線部分的端部和向 所述端部繞組或漸開線區(qū)域之內(nèi)施加了應(yīng)力控制層。其通常由加載碳化硅的帶或涂料構(gòu)成，以一或幾個層施加，有時為步進(jìn)層。其還可以結(jié)合 有絕緣層或一層或多層較高電阻率層。在此應(yīng)用中，所述高導(dǎo)熱率材料 將顯著提高系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)率。選擇什么時候使用高導(dǎo)熱率材料將取決于 所述普通絕緣材料和所述主絕緣的機(jī)械設(shè)計(jì)和熱傳導(dǎo)率性質(zhì)。
在某些類型的設(shè)計(jì)中，為了不同的功能如強(qiáng)化和提高機(jī)械支撐，在 端部區(qū)域使用了玻璃帶和收縮材料。此外，所述端部繞組區(qū)域的機(jī)械支 撐還涉及使用樹脂、金剛石隔離物，適合的可浸漬材料如氈或布、以及 其中可載入樹脂的材料如袋、嚢或軟管。在這些部件和材料中，高導(dǎo)熱 率材料的使用將顯著提高系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)率。選擇在哪里和什么時候使用 高導(dǎo)熱率材料將取決于所述普通絕緣材料和所述主絕緣的機(jī)械設(shè)計(jì)和 熱傳導(dǎo)率性質(zhì)。
在直冷轉(zhuǎn)子中，冷卻氣體或介質(zhì)與銅發(fā)生直接接觸。直冷有兩種主 要設(shè)計(jì)方案-徑向冷卻和軸向冷卻。所述端部繞組區(qū)域可以具有不同的冷 卻方法。在徑向冷卻設(shè)計(jì)中，氣體沿每個槽底部的子槽或中空匝通過。 然后徑向通過在實(shí)心銅匪中的冷卻槽和在所述的槽的頂部排出。在軸向 冷卻設(shè)計(jì)中，所述匝是中空的且橫截面通常為方形或長方形。氣體從位 于所述空心導(dǎo)體的側(cè)壁中的各個端部通孔進(jìn)入，沿所述銅管的內(nèi)部通 過，從位于轉(zhuǎn)子中心部的銅內(nèi)的通孔徑向地排出。
在轉(zhuǎn)子的這些設(shè)計(jì)中，在該設(shè)計(jì)上使用高導(dǎo)熱率材料的效果都是很 顯著的。實(shí)際上，在間接冷卻的機(jī)械中可能更加顯著。所述轉(zhuǎn)子線圏一 般通過模制的環(huán)氧樹脂玻璃層壓制品與地絕緣，其中所述層壓制品是線
槽絕緣襯片或楔角(angle)形式的。匝間絕緣可以為層壓制品或楔角。 可以理解，使用本文所述的方法可將所述部件制成高度熱傳導(dǎo)性的。
本發(fā)明的一個實(shí)施方案將高導(dǎo)熱率(HTC)材料添加到了樹脂中以 提高所述樹脂的熱傳導(dǎo)率。在某些實(shí)施方案中，作為具有較高熱導(dǎo)率的 折衷所述樹脂的其它物理性能被降低，但在另外的實(shí)施方案中，所述其 它物理性能中的某些不會受到顯著影響，且在某些特定實(shí)施方案中這些 其它性質(zhì)將獲得提高。在特定實(shí)施方案中，所述HTC材料被添加到具有 有序子結(jié)構(gòu)的樹脂如LCT環(huán)氧樹脂中。在添加到這些類型的樹脂中時， 與用于不具有有序子結(jié)構(gòu)的樹脂相比HTC材料的用量可得到降低。
載入所述樹脂的所述HTC材料可以是添加后能與所述樹脂物理地 和/或化學(xué)地相互作用或反應(yīng)以提高熱導(dǎo)率的各種物質(zhì)。在一個實(shí)施方案中，所述HTC材料為樹枝狀化合物，而在另一個實(shí)施方案中它們?yōu)榘?縱橫比(平均橫向尺寸與平均縱向尺寸之比)為3-100或更高、特別是 10-50的高縱橫比顆粒在內(nèi)的具有規(guī)定尺寸或形狀的納米或微米無機(jī)填料。
在一個相關(guān)實(shí)施方案中，所述HTC材料可具有規(guī)定的大小與形狀分 布。在兩種情形下都選擇所述填料顆粒的濃度和相對濃度來實(shí)現(xiàn)不管有 沒有體積填充都將帶來高導(dǎo)熱率的體連接(或所謂的浸透)結(jié)構(gòu)，和獲 得一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的具有提高的熱導(dǎo)率的離散的兩相復(fù)合材料。在另一相 關(guān)實(shí)施方案中，所述HTC材料的取向增大了熱導(dǎo)率。在又一實(shí)施方案中， 所述HTC材料的表面涂層提高了聲子傳輸。這些實(shí)施方案可獨(dú)立于其它 實(shí)施方案，也可整體相關(guān)。例如，將樹枝狀化合物與其它類型的高度結(jié) 構(gòu)化材料如熱固性和熱塑性材料結(jié)合在一起。它們被均勻分布在樹脂基
HTC材料之間產(chǎn)生良好的熱傳導(dǎo)界面。所述高度結(jié)構(gòu)化材料被對準(zhǔn)從而 在單個方向或多個方向上熱導(dǎo)率被增大以制造局部或整體各向異性的
電絕緣材料。在另一實(shí)施方案中，通過用具有高導(dǎo)熱率的金屬氧化物、 碳化物或氮化物和混合體紗表面涂覆較低熱導(dǎo)率的填料獲得了 HTC,其 中所述金屬氧化物、碳化物或氮化物和混合體系被物理或化學(xué)附著于具 有規(guī)定整體性質(zhì)的填料上，所述附著可以通過例如化學(xué)氣相沉積和物理 氣相沉積等工藝以及通過等離子體處理來實(shí)現(xiàn)。
在相關(guān)實(shí)施方案中，所述HTC材料與所迷樹脂形成基本均一的混合 物，基本上無不希望的微觀界面、可變顆粒潤濕和微空隙結(jié)構(gòu)形成。這 些均一材料構(gòu)成連續(xù)相材料，其在比傳統(tǒng)電絕緣材料中的聲子波長或聲 子平均自由程短的長度規(guī)模上是非離散的。在某些實(shí)施方案中，可以在 所述樹脂結(jié)構(gòu)中有意設(shè)置界面以便控制介電擊穿。在絕緣材料中，只要 條件滿足將會產(chǎn)生介電擊穿。通過控制兩相體系中的所述界面的性質(zhì)和 空間分布，可以提高介電擊穿強(qiáng)度和長期耐電性。介電強(qiáng)度的提高將部 分由于提高的致密度、微空隙的去除和高水平的內(nèi)部機(jī)械抗壓強(qiáng)度而產(chǎn) 生。
本發(fā)明的樹脂可被用來浸漬其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如云母帶以及玻璃 和聚酯帶。除了一般用于電絕緣的標(biāo)準(zhǔn)云母(白云母，金云母)之外， 還有黑云母以及幾種其它的云母狀硅鋁酸鹽材料如高嶺土、埃洛石、蒙脫土和綠泥石。蒙脫土在其結(jié)構(gòu)中具通過網(wǎng)格，其中很容易插入聚合物 樹脂、金屬陽離子和納米顆粒以產(chǎn)生高介電強(qiáng)度的復(fù)合材料。
在其它實(shí)施方案中，本發(fā)明被用作需要絕緣的表面上的連續(xù)涂層；
請注意"連續(xù)涂層"是對宏觀尺度應(yīng)用的描述。在連續(xù)涂層中，樹脂在材
料上形成涂層而不需要帶或其它基材。在與基材一起使用時，HTC材料
可以通過各種不同的方法與樹脂結(jié)合在一起。例如，它們可以在樹脂被
加入基材中之前添加，或者HTC材料可以被加入基材然后樹脂被浸漬于
其上，或者可以先加入樹脂，接著是HTC材料，然后又額外浸漬樹脂。
對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，其它制備和加工方法將是顯而易見的。
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明使用了新的有機(jī)-無機(jī)材料，其能提供更
高的熱導(dǎo)率并保持或提高其它主要性質(zhì)和性能特征。這種材料可應(yīng)用于
高導(dǎo)熱率會帶來在提高的額定功率、降低的絕緣厚度、更緊湊的電氣設(shè) 計(jì)和高熱傳導(dǎo)方面的優(yōu)點(diǎn)的其它高壓和低壓電絕緣的情形。本發(fā)明添加
納米、介觀和微米無機(jī)HTC材料如氧化鋁、氧化鎂、^友化硅、氮化硼、 氮化鋁、氧化鋅和金剛石，以及其它材料，以產(chǎn)生更高的熱導(dǎo)率。這些 材料可以具有各種結(jié)晶和形態(tài)形式，且它們可以直接或借助于充當(dāng)載液 的溶劑用于所述基質(zhì)材料。所述溶劑混合物可被用于將所述HTC材料混 入不同基材如云母帶的基質(zhì)。相比之下，構(gòu)成本發(fā)明的另一實(shí)施方案的 分子雜化材料不包含離散界面，且具有由有機(jī)相內(nèi)的無機(jī)相帶來的所述 優(yōu)點(diǎn)。這些材料還可帶來其它物理性能如熱穩(wěn)定性、拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng) 度、碰撞強(qiáng)度、可變頻率和隨溫度而變的機(jī)械模量和損耗以及一般粘彈 響應(yīng)等的提高。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明包括離散的有機(jī)-樹枝狀化合物復(fù)合材 料，其中所述有機(jī)-無機(jī)界面與樹枝狀化合物核-殼結(jié)構(gòu)是非離散的。樹 枝狀化合物是一類建立在中心核上的三維納米級核-殼結(jié)構(gòu)。所述核可以 是有機(jī)或無機(jī)材料的。通過建立在中心核上，所述樹枝狀化合物通過順 序添加同心的殼而形成。所述殼包括支鏈分子團(tuán)，且每個支鏈殼被稱為 一級(a generation)。通常，采用的級數(shù)為1-10,且在較外殼中的分子 團(tuán)數(shù)隨著所述級呈指數(shù)增多。所述分子團(tuán)的組成可以精確地人工合成， 且外部的分子團(tuán)可以為反應(yīng)性官能團(tuán)。樹枝狀化合物能夠與樹脂基質(zhì)以 及彼此之間互相連接。因此，它們可作為HTC材料被添加到樹脂中，或 者在其它實(shí)施方案中，可以本身形成所述基質(zhì)而不用被添加到傳統(tǒng)的樹脂中。
所述分子團(tuán)可按照它們彼此之間或與樹脂反應(yīng)的能力來選擇。但 是，在其它實(shí)施方案中，將根據(jù)它們自己在熱導(dǎo)率方面給予幫助的能力 來選擇所述樹枝狀化合物的核結(jié)構(gòu)。例如，如下所述的金屬氧化物。
通常，所述樹枝狀化合物越大，其作為聲子傳送單元的能力越大。 但是，其滲透所述材料的能力及其浸透潛力都會受到其尺寸的不利影 響，因此要尋找最佳尺寸來達(dá)到所要求的結(jié)構(gòu)與性能的平衡。像其它
HTC材料一樣，樹枝狀化合物中也可添加溶劑來促進(jìn)它們對基材如云母 或玻璃帶的浸漬。在許多實(shí)施方案中，將以具有各種不同分子團(tuán)的各種 級來使用樹枝狀化合物。
市售的有機(jī)樹枝狀聚合物包括聚酰胺型胺樹枝狀化合物 (PAMAM)、聚丙烯-亞胺型樹枝狀化合物(PPI)和PAMAM-OS,其 中所述PAMAM-OS是具有PAMAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)和有機(jī)硅外殼的樹枝狀化 合物。前兩種可從Aldrich ChemicalTM獲得，后者可從Dow-ComingTM獲
4曰付。
對于可以彼此反應(yīng)或者與基質(zhì)聚合物或反應(yīng)性樹脂反應(yīng)形成單一 材料的無機(jī)-有機(jī)樹枝狀化合物來說，存在類似的要求。在這種情況下， 所述樹枝狀化合物的表面包含與上述那些類似的反應(yīng)性基團(tuán)，其將使得 發(fā)生樹枝狀化合物-樹枝狀化合物、樹枝狀化合物-有機(jī)物、樹枝狀化合 物-雜化物，和樹枝狀化合物-HTC基質(zhì)反應(yīng)。在這種情況下，所述樹枝 狀化合物將具有無機(jī)的核和有機(jī)的殼，或反之包含有機(jī)或無機(jī)的反應(yīng)性 基團(tuán)或所需的配位體。因此同樣可能具有帶無機(jī)殼的有機(jī)核，其中所述 無機(jī)殼也包含反應(yīng)性基團(tuán)如羥基、硅烷醇基、乙烯基-硅烷基、環(huán)氧硅烷 基及其它能參與類似于常見的溶膠-凝膠化學(xué)中涉及的那些無機(jī)反應(yīng)的 基團(tuán)。
在所有情形下，通過保證所述結(jié)構(gòu)單元的長度規(guī)模比擔(dān)負(fù)熱傳輸?shù)?聲子分布短或與之相當(dāng)提高聲子傳輸和降低聲子散射。更大的HTC微粒 材料可實(shí)際上憑借自己就能提高聲子傳輸，但是，較小的HTC材料能改 變所述樹脂基質(zhì)的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)聲子散射的改變。這可以通過使用已 知其基質(zhì)顯示高導(dǎo)熱率的納米顆粒和保證粒徑和界面特性足以支持此 效果以及滿足降低聲子散射所要求的長度規(guī)模得到進(jìn)一步地促進(jìn)。同時 還必須考慮選擇更高度有序的結(jié)構(gòu)，其包括既具有較短又具有較長范圍周期的反應(yīng)的樹枝狀化合物晶格和可由基質(zhì)如液晶環(huán)氧樹脂和聚丁 二 烯形成的梯狀或有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)的樹脂基質(zhì)的最大熱導(dǎo)率為約
0.15 W/mK。本發(fā)明能提供熱導(dǎo)率為0.5-5 W/mK甚至更大的樹脂。
通過在線性或交聯(lián)聚合物和熱固性樹脂中并入無機(jī)納米顆粒，可以 獲得連續(xù)的有機(jī)-無機(jī)雜化物，其中納米顆粒的尺寸量級等于或小于所述 聚合物或網(wǎng)絡(luò)鏈段長度(一般為l-50nm)。其發(fā)生的路線或機(jī)制包括但 不限于以下三種(i)側(cè)鏈移植，(ii)全納移植(inclusive grafting), 例如在兩個聚合物鏈端之間，(iii)涉及至少兩個且一般為幾個聚合物 分子的交聯(lián)移植。這些無機(jī)納米顆粒將包含反應(yīng)性表面，以形成緊密共 價連接的雜化型有機(jī)-無機(jī)均勻材料。這些納米顆?？梢詾榻饘傺趸铩?金屬氮化物和金屬碳化物，以及某些非金屬氧化物、氮化物和碳化物。 例如，氧化鋁、氧化鎂和氧化鋅以及其它金屬氧化物，氮化硼和氮化鋁 以及其它金屬氮化物、碳化硅及其它碳化物、天然或人造金剛石，各個 類型的任何不同物理形式及其它金屬碳化物，以及雜化化學(xué)計(jì)量的和非 化學(xué)計(jì)量的混合氧化物、氮化物和碳化物。其更具體的例子包括八1203、 A1N、 MgO、 ZnO、 BeO、 BN、 Si3N4、 SiC和Si02,及混合的化學(xué)計(jì)量的 和非化學(xué)計(jì)量的組合。此外，這些納米顆粒將被表面處理以引入能參與
與所述主體有機(jī)聚合物或網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)的各種表面官能團(tuán)。還可以用HTC 材料涂覆非HTC材料，如二氧化硅和其它體填充材料。在使用更昂貴的 HTC材料時這是 一種可選的方案。
所述HTC材料在所述樹脂中的體積百分比可以最高為約60體積％或 以上，更特別是最高約35體積％。越高的體積填充往往以給予基質(zhì)越高 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是，通過控制尺寸和形狀分布、顆粒的關(guān)聯(lián)度和對準(zhǔn) 度，所述HTC材料可以僅占1體積M或更少。不過，出于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原因， 添加量大于發(fā)生浸透所需的最小量可能是有益的。由此，樹脂可以承受 物理應(yīng)變和形變而不破壞所述浸透結(jié)構(gòu)和所述HTC特性。
添加的表面官能團(tuán)可包括能用于與所述主體有機(jī)聚合物或形成網(wǎng) 絡(luò)的樹脂體系進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的羥基、羧基、胺基、環(huán)氧化物基、硅烷 基或乙烯基。這些官能團(tuán)可以天然存在于無機(jī)填料表面上，也可采用濕 化學(xué)方法、包括等離子聚合在內(nèi)的非平衡等離子沉積、化學(xué)氣相和物理 氣相沉積、濺射離子鍍以及電子和離子束蒸發(fā)方法施加。所述基質(zhì)聚合 物或反應(yīng)性樹脂可以與所述納米顆粒相容，且如果需要的話能與在所述納米顆粒表面引入的所述反應(yīng)性基團(tuán)反應(yīng)的任何系統(tǒng)。它們可以為環(huán)氧 樹脂、聚酰亞胺環(huán)氧樹脂、液晶環(huán)氧樹脂、氰酸酯以及具有各種交聯(lián)劑 的其它低分子量聚合物和樹脂。
對于非離散的有機(jī)-無機(jī)雜化物來說，可以利用溶膠-凝膠化學(xué)來形 成連續(xù)的分子合金。在這種情況下可以考慮涉及含水或無水反應(yīng)的溶膠 -凝膠化學(xué)性質(zhì)。
本發(fā)明的產(chǎn)品顯示比傳統(tǒng)的電絕緣材料更高的熱導(dǎo)率，且可在云母 -玻璃帶構(gòu)造中用作粘合樹脂，在傳統(tǒng)的云母帶構(gòu)造中用作未反應(yīng)的真空 -壓力浸漬樹脂和用作獨(dú)立的材料來滿足在旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)發(fā)電廠以及高壓 和低壓電氣和電子設(shè)備、部件和產(chǎn)品中的電絕緣應(yīng)用。本發(fā)明的產(chǎn)品可
以彼此結(jié)合，也可以現(xiàn)有技術(shù)的HTC材料和其它材料結(jié)合。
可以根據(jù)其自聚集成期望的結(jié)構(gòu)、纖絲和枝化枝晶的能力選擇微米
和納米HTC顆粒?？梢砸?yàn)槠涮焐刈越M裝能力而選擇顆粒，不過此過 程也可通過外力來改進(jìn)，如電場、磁場、聲波、超聲、pH調(diào)節(jié)、使用表 面活性劑和其它方法影響顆粒包括電荷分布在內(nèi)的顆粒表面帶電狀態(tài) 的改變。在一個具體實(shí)施方案中，使顆粒如氮化硼、氮化鋁、金剛石自 組裝成期望的形狀。如此，可以由高熱導(dǎo)率材料一開始就制成或在并入 基質(zhì)過程中組裝成期望的聚集體結(jié)構(gòu)。
在許多實(shí)施方案中，所述HTC材料的尺寸和形狀在相同應(yīng)用中是變 化的。在相同產(chǎn)品中使用了一定的尺寸和形狀范圍。各種或長或短的可 變縱橫比的HTC材料將提高樹脂基質(zhì)的熱傳導(dǎo)率，而且可能提供提高的 物理性質(zhì)和性能。但是，應(yīng)當(dāng)注意的一個方面是顆粒長度l不要太長以至 于降成基材/絕緣層之間的橋接。同樣，各種形狀和長度通過提供更均勻 的體積填充和堆積密度產(chǎn)生更均 一 的基質(zhì)還將提高所述HTC材料的浸 透穩(wěn)定性。對于混合尺寸和形狀的情形，在一個實(shí)施方案中，較長的顆 粒更接近棒狀，而較小的顆粒更接近球狀、小片狀或盤狀甚至立方體狀。 例如含HTC材料的樹脂可以包括約55-65體積％的直徑為10-50 nm的球 狀體和約15-25體積％的長10-50 iLim的棒，以及10-30體積％的樹脂。
在另 一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供基于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料的新的電絕 緣材料。在不損害其它絕緣性能如介電性能(介電系數(shù)和介電損耗)、 電導(dǎo)率、耐電強(qiáng)度和耐壓性、熱穩(wěn)定性、拉伸模量、撓曲模量、沖擊強(qiáng) 度和耐熱性以及其它因素如粘彈特性和熱膨脹系數(shù)以及總的絕緣性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了熱傳導(dǎo)率。構(gòu)造和選擇有機(jī)和無機(jī)相以實(shí)現(xiàn)性質(zhì)和性能 的適當(dāng)平^f。
在一個實(shí)施方案中所述具有期望形狀和大小分布的納米、介觀和微 米無機(jī)填料的表面涂層與選擇的表面特性和整體填料性質(zhì)彼此互補(bǔ)。這 使得在保持要求的整體性質(zhì)的同時能獨(dú)立控制所述填料相在所述有機(jī) 基質(zhì)中的浸透結(jié)構(gòu)和所述互連性質(zhì)。此外還可使用作為單一或二級涂層 的有機(jī)和無機(jī)涂層來保證所述顆粒表面與所述有機(jī)基質(zhì)的相容化和使 得可以與所述主休有機(jī)基質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
對于形狀，本發(fā)明采用趨于天然的棒和小片的單個顆粒形狀以增強(qiáng) 浸透，最優(yōu)選的實(shí)施方案為棒，除了那些天然形成的還包括人造加工的
材料。棒定義為平均縱橫比為大約5或更大、優(yōu)選10或更大、更優(yōu)選不 大于100的顆粒。在一個實(shí)施方案中，所述棒的軸向長度大約在IO nm-100 微米的范圍。較小的棒能更好地浸透樹脂基質(zhì)，對所迷樹脂粘度的副作 用也更少。
許多微米和納米顆粒形成球和盤的形狀，在一定條件下它們均勻分 散的能力降低因此可能會導(dǎo)致聚集的細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)，而此結(jié)構(gòu)會降低發(fā)生 浸透的濃度。通過提高所述浸透，可以提高樹脂的熱性質(zhì)，或者，可以 減少需要添加到樹脂中的HTC材料的量。同樣，提高的浸透還會導(dǎo)致所 述HTC材料在樹脂之內(nèi)的更均勻分布而不是需避免的聚結(jié)，產(chǎn)生不太可 能具有不期望的界面、不完全的顆粒潤濕和形成微空位的更均一的產(chǎn) 品。同樣，由更高縱橫比的顆粒形成的聚集的細(xì)絲狀或枝晶結(jié)構(gòu)，而不 是小球狀(致密)聚集體或團(tuán)聚體，也帶來了提高的熱導(dǎo)率。
另外，可以向HTC材料施加流體流動場和電-茲場以在所述環(huán)氧樹脂 之內(nèi)對其進(jìn)行分配和結(jié)構(gòu)組織。通過使用交變或靜電電場，可以使所述 棒和小片形狀在微觀上對準(zhǔn)。這產(chǎn)生了在不同方向上具有不同熱性質(zhì)的 材料。電場的建立可以通過本領(lǐng)域中已知的的各種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如附 加橫跨絕緣的導(dǎo)電體的電極或者在材料或絕緣系統(tǒng)的沖央使用導(dǎo)體。
可以形成有機(jī)表面涂層和無機(jī)表面涂層如金屬氧化物、氮化物、碳 化物和混合系統(tǒng)，它們在與選擇的顆粒大小和形狀相結(jié)合時能提供規(guī)定 的浸透結(jié)構(gòu)并控制絕緣系統(tǒng)的整體熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，同時可以選擇顆粒 介電常數(shù)來控制所述系統(tǒng)的介電常數(shù)。另一類涂層是天然或人造的微米 顆粒和納米顆粒金剛石涂層。在多晶和單晶納米微粒形式中，所述顆?？梢耘c載體顆粒，例如二氧化硅，的表面相關(guān)聯(lián)。二氧化硅本身并不是 強(qiáng)熱傳導(dǎo)材料，但添加了表面涂層后它可以變成具有更高熱導(dǎo)率的材 料。不過，二氧化硅及其它此類材料具有例如容易形成如上所述的棒狀
顆粒的有益性質(zhì)。如此，不同的HTC性質(zhì)可被結(jié)合到一個產(chǎn)品中。這些
涂層也可應(yīng)用于云母帶結(jié)構(gòu)，其既包括所述云母也包括玻璃組分，有或 者沒有樹脂填充。
反應(yīng)性表面官能團(tuán)可以由無機(jī)涂層固有的表面基團(tuán)構(gòu)成也可通過 施加額外的有機(jī)涂層來獲得，兩者都可包括羥基、羧基、胺基、環(huán)氧化 物基、硅烷基、乙烯基和其它能用于與主體有機(jī)基質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)。 這些單個或多個表面涂層以及表面官能團(tuán)可以采用濕化學(xué)方法、包括等 離子聚合在內(nèi)的非平衡等離子方法、化學(xué)氣相和物理氣相沉積、濺射離 子鍍以及電子和離子束蒸發(fā)方法施加。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供基于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料的新的電絕 緣系統(tǒng)。所述不同無機(jī)和有機(jī)組分之間的界面被制成化學(xué)或物理親密的 以保證所述不同相之間的高度物理連續(xù)性，和提供機(jī)械強(qiáng)度高且在所述 電絕緣系統(tǒng)在高壓和低壓應(yīng)用中使用時不易于破壞的界面。這種材料可 應(yīng)用于提高的界面完整性將帶來在提高的額定功率、絕緣系統(tǒng)更高的電 壓應(yīng)力、降低的絕緣厚度方面的優(yōu)點(diǎn)以及將實(shí)現(xiàn)高熱傳導(dǎo)的高壓和低壓 電絕緣的情形。
一個具體的實(shí)施方案使用了各種表面處理，納米、介觀和微米無機(jī)
填料，以引入各種能夠使所述無機(jī)表面與所述有機(jī)基質(zhì)相容或使得與主
體有機(jī)基質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的表面官能團(tuán)。這些表面官能團(tuán)可以包括能用 于與主體有機(jī)基質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的羥基、羧基、胺基、環(huán)氧化物基、硅烷
基或乙烯基。這些官能團(tuán)可以采用濕化學(xué)方法、非平衡等離子體方法、 化學(xué)氣相和物理氣相沉積、激光束、濺射離子鍍以及電子和離子束蒸發(fā)
方法施力口。
在許多實(shí)施方案中，所述表面處理過的材料可在云母-玻璃帶構(gòu)造中 用于粘合樹脂，在傳統(tǒng)的云母帶構(gòu)造中用于未反應(yīng)的真空-壓力浸漬
(GVPI&VPI)樹脂和用于獨(dú)立的電絕緣涂層或體材料來滿足在旋轉(zhuǎn)和 靜態(tài)發(fā)電廠以及高壓和低壓電氣設(shè)備、部件和產(chǎn)品中的電絕緣或傳導(dǎo)應(yīng) 用。而且，所有化學(xué)反應(yīng)都就是添加的結(jié)果，而不是縮合反應(yīng)，以避免 揮發(fā)性副產(chǎn)品。近來通過使用液晶聚合物在環(huán)氧樹脂方面作出了改進(jìn)。通過將環(huán)氧
樹脂與液晶單體混合或?qū)⒁壕Щ?mesogen)結(jié)合到環(huán)氧樹脂分子如 DGEBA中，可以制造出含聚合物或單體的液晶熱固性(LCT )環(huán)氧樹脂， 其中所述聚合物或單體能被交聯(lián)以形成具有顯著提高的機(jī)械性能的有 序網(wǎng)絡(luò)。參見美國專利5,904,984,其通過引用引入本文。LCT的另一好 處在于它們還具有比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂提高的熱導(dǎo)率，以及更低的熱膨脹系 數(shù)(CTE)值。
使LCT環(huán)氧樹脂更有吸引力的是它們還比標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂更能導(dǎo)熱。
氧樹脂，其通過引用引入本文。例如，標(biāo)準(zhǔn)的雙酚A環(huán)氧樹脂在橫向(平 面)和厚度方向上熱導(dǎo)率值都為0.18-0.24瓦每米絕對溫度(W/mK)。 相比之下，LCT環(huán)氧樹脂在用于實(shí)際應(yīng)用時熱導(dǎo)率值在橫向上不超過0.4 W/mK,而在厚度方向上不超過0.9 W/mK。
在用于施加到紙上的HTC材料時，術(shù)語基材是指形成絕緣紙的主體 材料，而紙基質(zhì)是指由所述基材制成的更完整的紙組分。在討論本發(fā)明 的此實(shí)施方案時，這兩個術(shù)語多少可以通用。熱導(dǎo)率的提高不應(yīng)顯著削 弱基材的電特性，如損耗因子，或基材的物理性能，如拉伸強(qiáng)度和粘結(jié) 性。在某些實(shí)施方案中，如具有表面涂層的，物理性能甚至可得到提高。 此外，在某些實(shí)施方案中所述主體紙基質(zhì)的電阻率也可通過HTC材料的 添加得到提高。
除了一般用于電絕緣的標(biāo)準(zhǔn)云母(白云母，金云母)之外，還有黑 云母以及幾種其它的云母狀硅鋁酸鹽材料如高嶺土、埃洛石、蒙脫土和 綠泥石。蒙脫土在其結(jié)構(gòu)中具有網(wǎng)格，其中很容易插入HTC材料如金屬 陽離子、有機(jī)化合物和單體以及聚合物以產(chǎn)生高介電強(qiáng)度的復(fù)合材料。
絕緣紙只是可以浸漬本發(fā)明的樹脂的 一 類多孔介質(zhì)。由其制造的許 多其它材料和組分在許多工業(yè)中(某些將在下面論及)可以使用不同類 型的多孔介質(zhì)來將所述樹脂浸入。例如，有玻璃纖維基質(zhì)或織物，以及 聚合物基質(zhì)或織物，其中所述織物一般可以為布、墊或氈。作為玻璃織 物層壓制品的具有平面分層的電路板將是可以從使用本發(fā)明的樹脂中 受益的一種產(chǎn)品，
用于定子線圏的樹脂浸漬類型已知為VPI和GVPI。帶被纏繞在線圏 周圍，然后通過真空-壓力浸漬(VPI)注入低粘度液體絕緣樹脂。該過程如下排空含所述線圏的室以除去截留在所述云母帶中的空氣和水 分，然后在壓力下引入所述絕緣樹脂以用樹脂完全浸漬所述云母帶，由 此消除空隙，在云母主體內(nèi)產(chǎn)生樹脂絕緣。在某些實(shí)施方案中，為所述
vpi過程所特有的是約2oyo的壓縮。在這完成之后，所述線圈被加熱以 固化所述樹脂。所述樹脂可以包含促進(jìn)劑，或者所述帶中可以具有促進(jìn)
劑。作為其變體，整體VPI(GVPI)涉及纏繞干絕緣的線圈，然后對整 個定子而不是單獨(dú)的線圏進(jìn)行真空壓力浸漬的過程。在所述GVPI工藝 中，所述線圈在用所述樹脂浸漬之前被壓縮，因?yàn)樗龈删€圏在浸漬之 前被插入其最終位置。盡管上面討論了各種壓縮方法，但對于本發(fā)明的 實(shí)際壓縮階段仍可使用所述VPI/GVPI浸漬工藝。
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種高導(dǎo)熱率樹脂，其包括主體樹 脂基質(zhì)和高導(dǎo)熱率填料。所述高導(dǎo)熱率填料與所述主體樹脂基質(zhì)形成一 種連續(xù)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，且所述高導(dǎo)熱率填料長為1-1000 nm,縱橫 比在3-100之間，更優(yōu)選地縱;湊比為10-50。
在一個相關(guān)實(shí)施方案中，所述高導(dǎo)熱率填料由兩相有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材 料構(gòu)成，其中所述兩相有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料可以包括多面體低聚倍半硅氧 烷、原硅酸四乙酯和原鈦酸四丁酯。在所述高導(dǎo)熱率填料上存在反應(yīng)性 表面基團(tuán)。在另一實(shí)施方案中，所述高導(dǎo)熱率填料由有機(jī)-無機(jī)連續(xù)相材 料構(gòu)成。在又一實(shí)施方案中，其由離散的有機(jī)-樹枝狀化合物復(fù)合材料或 由離散的有機(jī)-無機(jī)樹枝狀化合物復(fù)合材料構(gòu)成。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種連續(xù)的有機(jī)-無機(jī)樹脂，其包括 主體樹脂網(wǎng)絡(luò)和均勻分散在所迷主體樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)且基本上與所述主體
樹脂網(wǎng)絡(luò)完全共反應(yīng)(co-reacted)的無機(jī)高導(dǎo)熱率填料。所述高導(dǎo)熱率 填料長為1-1000 nm,縱橫比為10-50。所述高導(dǎo)熱率填料選自氧化物、 氮化物和碳化物中的至少一種，且被表面處理過以引入使得可具有與所 述主體樹脂網(wǎng)絡(luò)基本上完全的共反應(yīng)性(co-reactivity)的表面官能團(tuán)。 所述表面官能團(tuán)可通過諸如表面潤濕或反應(yīng)性化學(xué)移植等方法施加。其 它反應(yīng)性化學(xué)移植技術(shù)包括非平衡等離子體法、化學(xué)氣相和物理氣相沉 積、濺射離子鍍、激光束以及電子和離子束蒸發(fā)法。所述連續(xù)有機(jī)-無機(jī) 樹脂包括最多60體積％的所述高導(dǎo)熱率填料，在特定實(shí)施方案中為至少 35體積％,且可以包含交聯(lián)劑。
在相關(guān)實(shí)施方案中所述氧化物、氮化物和碳化物包括八1203、 A1N、MgO、 ZnO、 BeO、 BN、 Si3N4、 SiC和Si02,及其混合的化學(xué)計(jì)量的和 非化學(xué)計(jì)量的組合。并且，所述官能團(tuán)包括羥基、羧基、胺基、環(huán)氧化 物基、硅烷基和乙烯基中的至少一種。而所述主體樹脂網(wǎng)絡(luò)包括環(huán)氧樹 脂、聚酰亞胺環(huán)氧樹脂、液晶環(huán)氧樹脂和氰酸酯。
在又一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種浸漬有高導(dǎo)熱率樹脂的多孔介 質(zhì)，其包括多孔介質(zhì)和加載了高導(dǎo)熱率材料的樹脂。所述高導(dǎo)熱率材料 構(gòu)成所述樹脂的5-60體積％,且為二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、碳化硅、 氮化硼、氮化鋁、氧化鋅和金剛石以及樹枝狀化合物中的至少一種，上 述所有材料大小均為約1-1000 nm,縱對黃比為10-50。
在一相關(guān)實(shí)施方案中，所述高導(dǎo)熱率材料占所述樹脂的5-40體積％。 所述多孔基質(zhì)可以為紙，如云母-玻璃絕緣紙，或其它材料如電路板中使 用的那些。在另一相關(guān)實(shí)施方案中，所述多孔介質(zhì)為天然或人造的呈基 質(zhì)或織物形式的有機(jī)或無機(jī)聚合物纖維。在宏觀上，所述多孔介質(zhì)可以 為，例如，布、墊或趕。
由于相鄰和鄰接的HTC顆粒的固有緊密性，HTC樹枝狀結(jié)構(gòu)能成為 良好導(dǎo)熱體。圖4顯示了由許多HTC顆粒42構(gòu)成的樹枝狀結(jié)構(gòu)40的一個 例子。應(yīng)當(dāng)注意，在這里樹枝狀化合物不同于樹枝狀結(jié)構(gòu)。樹枝狀填料 基本上是形成分支結(jié)構(gòu)而非聚集體大塊的的顆粒聚集體。單獨(dú)地這些結(jié) 構(gòu)可以由形成許多長的或擴(kuò)展的支鏈的數(shù)百和數(shù)千個顆粒構(gòu)成，與相同 樹脂內(nèi)的其它樹枝狀結(jié)構(gòu)之間具有許多互連。
直接在樹脂內(nèi)形成樹枝狀結(jié)構(gòu)的 一個缺陷是，隨著所述填充的樹脂 的期望物理性能隨所述樹枝狀結(jié)構(gòu)的尺寸的增大而提高，相關(guān)的不期望 的性質(zhì)如粘度也會提高。如果粘度提高，則粘著性質(zhì)也可能被減弱。具 有大樹枝狀結(jié)構(gòu)的主體樹脂變得不能用于浸漬，而且根據(jù)被浸漬的多孔 介質(zhì)的空隙或孔徑，所述樹枝狀結(jié)構(gòu)本身甚至可能會被濾出所述樹脂。 通過利用本發(fā)明，可以使用粘度更小的樹脂，并仍可在所述系統(tǒng)中形成 樹枝狀結(jié)構(gòu)。
為形成所述樹枝狀填料，表面官能化的或非官能化的HTC材料本身 或彼此相互作用。材料的表面官能化可通過本領(lǐng)域已知的工藝來完成， 其涉及向所述HTC材料上移植至少一個官能化的有機(jī)基團(tuán)。所述官能化 的基團(tuán)可以是各種反應(yīng)性基團(tuán)，包括但不限于OH、 NH或另一羧基。官 能化的例子包括硅烷移植或自由基移植。在更具體的實(shí)施方案中，所述硅烷移植涉及選自4-三曱氧基曱硅烷基四氫化鄰苯二甲酸酐(TSPA)和 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MOTPS)的反應(yīng)物。在另一具體 實(shí)施方案中，所述自由基移植涉及反應(yīng)物硝酸鈰銨。
樹枝狀結(jié)構(gòu)的支鏈越多，所述填充的樹脂的依賴顆粒連接性的物理 性能越好。因此每個HTC顆粒具有許多顆粒-顆粒相互作用和官能化基團(tuán) 將產(chǎn)生具有更大熱導(dǎo)率的填充的樹脂。所述顆粒-顆粒相互作用可能涉及 種子形狀，其能將所述構(gòu)造塊物理鎖定到其中。
所述樹枝狀結(jié)構(gòu)是由拾取(pickup) HTC構(gòu)造塊的HTC種子在所述 樹脂之內(nèi)形成的。更多的種子結(jié)合到已經(jīng)拾取的構(gòu)造塊上，如此所述樹 枝狀結(jié)構(gòu)得以生長。所述HTC種子和構(gòu)造塊是本文所述的HTC材料，且 它們既通過物理作用又通過表面官能化的基團(tuán)而彼此分離。如下所述， 根據(jù)樹脂的應(yīng)用它們兩個可以通過各種技術(shù)結(jié)合。
為保持所述組分分離，所述附著的官能團(tuán)在反應(yīng)性上應(yīng)當(dāng)選擇在所 述種子與構(gòu)造塊之間不同。這樣， 一方面可以使所述種子不彼此反應(yīng)，
但另一方面可與所述構(gòu)造塊反應(yīng)，因?yàn)樗龇N子和構(gòu)造塊可以由具有相
同尺寸和具有不同官能團(tuán)的相同材料構(gòu)成。
具有最小的與它們自己的共反應(yīng)性。此最小的共反應(yīng)性并不一定意味著 作為 一種組分在達(dá)到期望的尺寸和/或形狀之前所述填料組分沒有與它 們自己共反應(yīng)。因此，所述組分，在某些實(shí)施方案中特別是所述構(gòu)造塊， 可以為單個顆粒的小簇。這可以通過具有成比例地少量內(nèi)活性官能化的
基團(tuán)來控制。例如，具有項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)的納米二氧化硅簇。
所述填料組分可以各種方式結(jié)合。所述種子在所述樹脂被使用之前 與所述主體樹脂結(jié)合。實(shí)例應(yīng)包括連續(xù)擠出和浸漬。對于連續(xù)擠出，所 述構(gòu)造塊在使用之前與樹脂結(jié)合。對于浸漬，所述構(gòu)造塊可以在所述樹 脂添加之前被添加到包括在所述多孔介質(zhì)內(nèi)的所述樹脂中，以及所述兩 個的結(jié)合。對于所述構(gòu)造塊在使用之前被加入樹脂中的情形，將所述組 分彼此結(jié)合在一起的反應(yīng)應(yīng)當(dāng)是一種慢化學(xué)反應(yīng)，這意味著所述反應(yīng)將 費(fèi)時幾分鐘到幾小時。所述構(gòu)造塊可以在樹脂浸漬之前通過一種載液介 質(zhì)如溶劑或樹脂借助于真空壓力浸漬或通過熱層壓技術(shù)如擠出、封裝或 拉擠成型被插入所述多孔介質(zhì)。用于將所述構(gòu)造塊插入所述多孔介質(zhì)的 其它技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。當(dāng)帶種子的樹脂被用于浸漬和所述構(gòu)造塊在浸漬之前被加入所述 多孔介質(zhì)時，所述樹脂中的所述種子拾取所述構(gòu)造塊和所述組分被混合 和反應(yīng)。這具有雙重好處，即直至所述樹脂被使用時才開始所述組分反 應(yīng)，以及為所述浸漬保持低粘度。隨著種子積聚構(gòu)造塊，其繼而吸引更 多的種子，形成了簇。所述簇可隨后相互連接形成樹枝型網(wǎng)絡(luò)。
在某些實(shí)施方案中，使所述HTC種子顆粒小于所述構(gòu)造塊材料將由
于降低的粘度而有助于樹脂浸漬。在這種實(shí)施方案中，所述HTC種子顆 粒的尺寸范圍可以在1 -100 nm的范圍內(nèi)。在構(gòu)造塊材料在浸漬之前添加 到樹脂的實(shí)施方案中，它們可為同等尺寸的。然而，在構(gòu)造塊在浸漬過 程中被拾取的實(shí)施方案中，它們可以比所述種子顆粒大得多，平均尺寸 范圍為50-400 nm。
種子對構(gòu)造塊的比(以總體積計(jì))可以根據(jù)期望的結(jié)果而改變。對 于形成最大樹枝狀結(jié)構(gòu)，種子對構(gòu)造塊的比(以體積計(jì))應(yīng)當(dāng)稍高以促 使與構(gòu)造塊和彼此之間發(fā)生更多的反應(yīng)。顯然，如果所述種子顆粒小于 所述構(gòu)造塊，這將導(dǎo)致更多的種子顆?？倲?shù)，而且如果所述種子顆粒與 構(gòu)造塊的密度相似還將導(dǎo)致按體積計(jì)更多的種子顆粒。
在具體實(shí)施方案中，理想的是形成最大的樹枝狀結(jié)構(gòu)。這將在所述 主體樹脂基質(zhì)中產(chǎn)生最大的熱導(dǎo)率?？梢允褂么龠M(jìn)劑如環(huán)烷酸鋅、乙酰 丙酮鉻、千基二甲胺、三千基氯化錫、三千基醋酸錫和鈦酸四丁酯來加 速和提高所述組分之間的反應(yīng)數(shù)。
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了 一種在主體樹脂基質(zhì)內(nèi)形成HTC 樹枝狀填料的方法，其包括向所述主體樹脂基質(zhì)添加HTC種子。所述 HTC種子經(jīng)過表面官能化，以基本上不彼此反應(yīng)。然后所述種子聚集 HTC構(gòu)造塊，且所述HTC構(gòu)造塊同樣經(jīng)過表面官能化以基本上不彼此反 應(yīng)。然后用所述HTC種子組裝所述HTC構(gòu)造塊，以在所述主體樹脂基質(zhì) 之內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填料。
在具體實(shí)施方案中，所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子反應(yīng)，意味著 它們兩種之間的表面官能化的基團(tuán)彼此相互反應(yīng)。在其它實(shí)施方案中， 所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子相互作用，意味著存在物理的顆粒-顆粒 相互作用。
在其它實(shí)施方案中，通過將添加有HTC種子的所述主體樹脂浸漬到 含有所述HTC構(gòu)造塊的多孔介質(zhì)中，聚集所述HTC構(gòu)造塊。所述多孔介質(zhì)可以為復(fù)合材料帶，也可以為天然的有機(jī)或無機(jī)聚合物纖維基質(zhì)，或織物。
在進(jìn)一步的其它實(shí)施方案中，通過將所述HTC構(gòu)造塊混合到所述主 體樹脂基質(zhì)中來聚集所述HTC構(gòu)造塊。在相關(guān)實(shí)施方案中，在聚集之后 使所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子以慢化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)。并且在添加 促進(jìn)劑如環(huán)烷酸鋅、乙酰丙酮鉻、三千基氯化錫、三千基醋酸錫和/或鈦 酸四丁酯之后，所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
在更進(jìn)一步的其它相關(guān)實(shí)施方案中，所述HTC種子經(jīng)過表面官能化 以具有平均一個以上表面官能團(tuán)?；蛘?，所述HTC構(gòu)造塊經(jīng)過表面官能 化以具有平均一個以上表面官能團(tuán)。所述HTC種子可以選自珪氧化物、 氮化硼、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁和氮化珪，且所述HTC構(gòu)造塊可以選 自氮化硼、氧化鋁和氧化硅。
在其它相關(guān)實(shí)施方案中， 一定百分比的所述HTC種子被移植到所述 主體樹脂基質(zhì)，且所述HTC種子可以在所述HTC構(gòu)造塊的所述聚集之前 被移植到所述主體樹脂基質(zhì)。所述HTC樹枝狀填料占所述主體樹脂基質(zhì)
體積比在約2:1-1:4的范圍內(nèi)。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種在樹脂浸漬的多孔介質(zhì)中形成 HTC樹枝狀結(jié)構(gòu)的方法，其包括獲得主體樹脂和向所述主體樹脂中添加 HTC種子。所述HTC種子基本上不彼此反應(yīng)，且一定百分比的所述HTC 種子被移植到所述主體樹脂。此百分比可以變化，但應(yīng)當(dāng)至少為5%。然 后將HTC構(gòu)造塊插入多孔介質(zhì)，其中所述HTC構(gòu)造塊基本上不彼此反 應(yīng)。此方法還包括將所述主體樹脂浸漬到所述多孔介質(zhì)中，在其中所述 主體樹脂從所述主體介質(zhì)拾取HTC構(gòu)造塊，并使所述HTC構(gòu)造塊與所述 HTC種子反應(yīng)和相互作用以在所述主體樹脂基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填 料。然后固化所述主體樹脂。
在相關(guān)實(shí)施方案中，基本上所有所述HTC種子都與所述HTC構(gòu)造塊 起反應(yīng)。該方法還可以進(jìn)一步包括將額外的構(gòu)造塊直接混合到所述主體 樹脂中。在其它具體實(shí)施方案中，基本上所有所述HTC種子都被移植到 所述主體樹脂，且所述多孔介質(zhì)為復(fù)合材料帶。
盡管已經(jīng)詳細(xì)記述了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)清楚在本公開的整體教導(dǎo)下可以發(fā)展出各種變體和對那些細(xì)節(jié)的替換物。因此，所公開的具體方案都僅僅是說明性的，并不限制由所附權(quán) 利要求的整個幅度及其任意等價物給出的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 在主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)形成HTC樹枝狀填料的方法，包括向所述主體樹脂基質(zhì)中添加HTC種子，其中所述HTC種子已經(jīng)過表面官能化，以基本上不彼此反應(yīng)；聚集HTC構(gòu)造塊，其中所述HTC構(gòu)造塊已經(jīng)過表面官能化以基本上不彼此反應(yīng)；用所述HTC種子組裝所述HTC構(gòu)造塊，以在所述主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填料。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子反應(yīng)。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC構(gòu)造塊與所述HTC種子相互作用。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中通過將具有所述添加的HTC種子的所 迷主體樹脂浸漬到含有所述HTC構(gòu)造塊的所述多孔介質(zhì)中，聚集所述 HTC構(gòu)造塊。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中所述多孔介質(zhì)為復(fù)合材料帶。
6. 權(quán)利要求4的方法，其中所述多孔介質(zhì)為天然的有機(jī)和無機(jī)聚合 物纖維基質(zhì)和織物中的至少一種。
7. 權(quán)利要求l的方法，其中通過將所述HTC構(gòu)造塊混合到所述主 體樹脂基質(zhì)中來聚集所述HTC構(gòu)造塊。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中在聚集之后使所述HTC構(gòu)造塊與所述 HTC種子的反應(yīng)以慢化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
9. 權(quán)利要求7的方法，其中在添加促進(jìn)劑之后，所述HTC構(gòu)造塊 與所述HTC種子的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC種子經(jīng)過表面官能化以具有 平均一個以上表面官能團(tuán)。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC構(gòu)造塊經(jīng)過表面官能化以具 有平均一個以上表面官能團(tuán)。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC種子選自硅氧化物、氮化硼、 氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁和氮化硅。
13. 權(quán)利要求l的方法，其中所述HTC構(gòu)造塊選自氮化硼、氧化鋁 和氧化^圭。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中一定百分比的所述HTC種子被移植到所述主體樹脂基質(zhì)。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中所述HTC種子在所述HTC構(gòu)造塊的 所述聚集之前被移植到所述主體樹脂基質(zhì)。
16. 權(quán)利要求1的方法，其中所述HTC樹枝狀填料占所述主體樹脂 基質(zhì)的5-40體積％。
17. 權(quán)利要求l的方法，其中HTC種子與含有所述HTC樹枝狀填 料的HTC構(gòu)造塊的體積比為約2:1-1:4。
18. 在樹脂浸漬的多孔介質(zhì)中形成HTC樹枝狀結(jié)構(gòu)的方法，包括 獲得主體樹脂；向所述主體樹脂中添加HTC種子，其中所述HTC種子基本上不彼 此反應(yīng)，且其中 一定百分比的所述HTC種子被移植到所述主體樹脂；將HTC構(gòu)造塊插入多孔介質(zhì)，其中所述HTC構(gòu)造塊基本上不彼此 反應(yīng)；將所述主體樹脂浸漬到所述多孔介質(zhì)中，其中所述主體樹脂從所述 主體介質(zhì)拾取HTC構(gòu)造塊；體樹脂基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填料； 固化所述主體樹脂。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中基本上所有所述HTC種子都與所述 HTC構(gòu)造塊起反應(yīng)。
20. 權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括將額外的構(gòu)造塊直接混合到所 述主體樹脂中。
21. 權(quán)利要求18的方法，其中基本上所有所述HTC種子都被移植 到所述主體樹脂。
22. 權(quán)利要求18的方法，其中所述多孔介質(zhì)為復(fù)合材料帶。
23. 權(quán)利要求18的方法，其中所述多孔介質(zhì)為天然的有機(jī)和無機(jī)聚 合物纖維基質(zhì)和織物中的至少一種。
全文摘要
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種在主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)形成HTC樹枝狀填料40的方法，包括向所述主體樹脂基質(zhì)中添加HTC種子42。所述HTC種子經(jīng)過表面官能化，以基本上不彼此反應(yīng)。然后所述種子聚集HTC構(gòu)造塊42，且所述HTC構(gòu)造塊同樣經(jīng)過表面官能化以基本上不彼此反應(yīng)。然后用所述HTC種子組裝所述HTC構(gòu)造塊，以在所述主體樹脂基質(zhì)之內(nèi)產(chǎn)生HTC樹枝狀填料40。
文檔編號C08K3/00GK101460557SQ200780020447
公開日2009年6月17日 申請日期2007年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者G·斯蒂芬斯, J·D·B·史密斯, J·W·伍德 申請人:西門子發(fā)電公司