摘要：以石蠟作為相變物質，與埃洛石復合，以無水乙醇為溶劑，采用溶液插層法制備出不同配比的新型石蠟/埃洛石復合相變材料。使用掃描電鏡( SEM) 觀察其表面形貌，對材料相變過程中的形狀穩(wěn)定性進行測試，采用差示掃描量熱法( DSC) 對其相變溫度和相變焓進行了測定，用熱重分析儀( TGA) 對其熱穩(wěn)定性進行了表征; 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) 提高其導熱性能，使用導熱儀器測試其導熱系數(shù)。將復合相變材料與烘干型絕緣漆混合加熱并澆注到電機定子繞組上，電機連通電源后使用紅外測溫儀和溫敏電阻測量其溫度。結果表明: 當石蠟質量分數(shù)為 50%時，石蠟能被埃洛石有效封裝，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熱性能; 復合相變材料與烘干型絕緣漆澆注到電機定子繞組上時能有效地降低內部溫升，對降低短時高功率密度電機的內部溫度和提高其功率密度具有重要的應用價值。 關鍵詞：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具有電流密度大、電負荷高、結構緊湊的特點。電機的高輸出功率導致其內部產(chǎn)生大量的熱量，這給電機的散熱帶來了極大的挑戰(zhàn);此外，當電機處于短時高過載工況下時，高銅耗會導致電機內部溫升過快，但水冷、強迫風冷等一般散熱方式是依靠外界流體介質帶走從電機內部傳導到外殼的熱量，無法直接、快速地帶走電機內部產(chǎn)生的熱量，從而限制了電機的功率輸出能力。因此，需要一種快速有效的散熱方式以降低電機內部溫升。相變材料( Phase change material，PCM) 作為一種儲熱和溫控材料，在固-液、液-氣或固-固相變過程中可以儲存或釋放大量的熱量，具有儲能密度高、相變前后體積變化小、熱回收溫度差異小、可重復利用等諸多優(yōu)點，在太陽能利用、溫室的溫度調控、工業(yè)廢熱的回收、城市建設、電子熱管理、恒溫紡織服裝等領域具有廣闊的應用前景。常用的相變材料主要包括有機相變材料和無機相變材料。絕大多數(shù)無機相變材料具有腐蝕性，并且在相變過程中存在過冷卻現(xiàn)象和相分離等缺陷，影響其實際應用; 而有機相變材料具有腐蝕性小、相變潛熱大、過冷卻小、價格便宜等優(yōu)點。

石蠟作為有機相變材料，具有化學穩(wěn)定性好、相變潛熱大、熔點范圍寬、無過冷卻現(xiàn)象和相分離缺陷、蒸汽壓低、相變溫度適宜、價格低廉、無腐蝕性和無毒性等優(yōu)點，但是石蠟存在導熱系數(shù)小、相變過程易泄露的缺點，限制了其在儲熱技術中的應用。埃洛石納米管是大自然天然形成的納米粘土，對環(huán)境無污染，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，可以用來吸附油性物質，這些特征使得埃洛石納米管成為制備相變復合材料的優(yōu)良材料。四針狀氧化鋅( Tetrapod ZnO whiskers，T-ZnOw) 具有提高材料導熱性能的能力，能讓電動機內部產(chǎn)生的熱量更有效地傳遞到電機外殼，使產(chǎn)生的熱量有效地散發(fā)到外界，以此來降低電機的內部溫度。此外，將 T-ZnOw 添加到絕緣漆中，可以加強線圈繞組的力學強度。

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

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料石蠟為 58 號全精煉石蠟，購于成都順美國際貿易有限公司; 埃洛石購于西安茗創(chuàng)達生物科技有限公司; 四針狀氧化鋅晶須購于浙江聚元化工有限公司; 無水乙醇為分析純AＲ，購于上海泰坦科技有限公司; 絕緣漆為 H 級 1150 烘干型，購于河南納誠電工有限公司; 去離子水為實驗室自制。

1.2 試樣制備

埃洛石是一種層狀結構的非膨脹性粘土礦物，晶體結構呈管狀，具有較大的比表面積，其層狀結構與另一種層狀硅酸礦物( 蒙脫石) 類似。以往所報道的埃洛石復合材料基本是以熔融共混法制得，相對于熔融共混法，溶液插層法具有操作簡單易行、對設備要求低、插層條件溫和等特點。溶液插層法是用來制備復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入無機物層間，然后揮發(fā)除去溶劑，從而獲得高分子納米材料與無機材料的復合納米高分子材料。

埃洛石的管狀晶體結構使其同樣具備了毛細現(xiàn)象。毛細作用，是液體表面對固體表面的吸引力，毛細管插入浸潤液體中，浸潤液體在毛細管中的液面是凹形的，它對下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當向上的拉力跟管內液柱所受的重力相等時，管內的液體停止上升，達到平衡。埃洛石獨特的層狀結構及管狀晶體結構，使其能夠通過溶液插層法充分吸收相變材料石蠟。表 1 為固-固復合相變材料制備配方。

表 1 固-固復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中球磨 24 h，正反向各球磨 12 h，取出后使用無水乙醇洗滌并放入 80 ℃ 鼓風干燥箱內烘干，最后研磨并過篩得到埃洛石粉末。

( 2) 復合相變材料的制備: ①常溫下取埃洛石粉末與無水乙醇混合，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，同時蒸發(fā)作為溶劑的無水乙醇; ④將所得產(chǎn)物放入 80 ℃鼓風干燥箱內干燥 6 h，將其充分烘干; ⑤取出烘干后的產(chǎn)物并研磨過篩，得到所需的復合相變材料。

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

1.3 測試與表征

采用 SU8010 掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面形貌及微觀結構; 采用數(shù)碼相機對樣品的定形相變特征和濕潤性進行拍照記錄; 采用 DSC200F3 差示掃描量熱儀對樣品的相變溫度和相變潛熱進行表征; 采用 STA-449C 熱重分析儀對樣品的熱穩(wěn)定性進行分析; 采用 TC3000E 便攜式導熱儀器對樣品的導熱系數(shù)進行測試; 采用 FLIＲ-T530 紅外測溫儀測量完成澆注的電機機殼的溫度，證實材料對降低電機內部溫度的有效性; 采用溫敏電阻和示波器測量電機定子內部的溫度，對紅外測溫儀進行誤差分析。

2 結果與討論

2.1 SEM 分析

由圖 1a 埃洛石粉末的 SEM 圖可見，埃洛石結構為一種內部空洞的長桿狀，在桿狀兩端可以明顯看到空洞。埃洛石這種獨特的結構特征讓其桿狀結構內部可以吸附大量的相變材料石蠟，外部桿狀結構之間通過范德華力可以吸附一定量的相變材料石蠟，且經(jīng)過球磨后讓原本被包裹的內部結暴露出來，便于吸附更多的石蠟。由圖 1b 可見，復合相變材料 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明顯的空洞，可以推測埃洛石表面及內部充分吸附了石蠟; 另外復合相變材料 P2 的微觀形態(tài)與埃洛石相似，說明埃洛石的表面均勻地吸附了石蠟，而沒有發(fā)生局部的大量堆積。

圖 1 ( a) 埃洛石粉末和( b) 復合相變材料 P2 的 SEM 圖

由圖 2a 可見，復合相變材料 P1 試樣表面吸附了大量石蠟，且出現(xiàn)了局部的大量堆積，可以推測埃洛石表面及內部吸附了過量的石蠟，多孔材料埃洛石已處于過飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下不利于復合相變材料在電機繞組內的定形。由圖 2b可見，復合相變材料 P3 試樣表面吸附了一定量的石蠟，但埃洛石桿狀結構表面仍存在空隙，多孔材料埃洛石處于不飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下可進一步吸附石蠟。

圖 2 復合相變材料( a) P1 和( b) P3 的 SEM 圖

2.2產(chǎn)物的定形相變特征測試

形狀穩(wěn)定性是相變材料在實際應用中的關鍵。利用加熱-拍照的方法記錄了所制備的復合相變材料在高于其相變溫度時的形狀穩(wěn)定性，并與純石蠟作比較。圖 3 中分別列出了復合相變材料 P1( 見圖 3a) 、P2( 見圖 3b) 、P3( 見圖 3c) 和純石蠟粉末( 見圖 3d) 在 80 ℃ 加熱 0 min、5 min、10 min、15 min和 20 min( 從左到右) 時的照片?？梢钥闯黾兪灪芸炀烷_始熔融，10 min 后完全熔化成流動液體狀態(tài)，如果應用于設備中就意味著會有大量的泄露; 復合相變材料 P2 和P3 受熱后形貌沒有任何變化，表明這些復合相變材料均有很好的定形相變特征。這是由于在復合相變材料中，埃洛石的多孔結構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，證明石蠟質量分數(shù)為 50%時材料仍具有定形相變特征。石蠟質量分數(shù)低于 50%，復合相變材料中石蠟含量較少，材料配比不是最佳。而復合相變材料 P1 存在一定的泄漏，可以推測，隨著石蠟含量的增加，試樣泄漏的石蠟將逐漸增加，這主要是因為一定質量的埃洛石所吸附相變材料的質量也是一定的，若加入更多量的石蠟，其在熔化狀態(tài)下就會發(fā)生泄漏，使得復合相變材料中的相變材料流失，造成復合相變材料儲存能量減少、儲能能力下降，這說明石蠟質量分數(shù)高于或等于 55%時，復合相變材料中石蠟含量過高，材料配比也不是最佳。綜合來看，石蠟質量分數(shù)為 50%時，埃洛石對石蠟的吸附量處于臨界飽和狀態(tài)，該石蠟質量分數(shù)較為理想。

圖 3 復合相變材料( 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)物的儲熱性能( DSC) 分析

58 號石蠟的相變溫度區(qū)間為 47 ～ 64 ℃，圖 4 為所制備試樣的 DSC 曲線，可以看出，石蠟/埃洛石復合相變材料所含石蠟的量對其相變溫度無明顯影響，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 曲線都有兩個吸熱峰，其中小峰代表固-固相變過渡階段，主峰代表固-液相變過程，固-固相變過渡階段是由樣品從有序相到無序相過渡引起的。復合相變材料的相變焓越大，單位質量所儲存的熱量越多，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，隨著石蠟質量分數(shù)的增加，其吸熱峰面積逐漸增大，分析可得復合相變材料 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，這說明隨著石蠟質量分數(shù)的增加其相變焓也逐漸提高，隨著石蠟質量分數(shù)增加，單位質量的復合材料所儲存的能量也增加，表明材料的 DSC 吸熱峰面積越大，即材料的相變焓越大，該材料在填入電機定子繞組后對降低電機內部溫度的效果越好。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題，但相反熱效率會較高; P3 的 DSC 曲線偏上方，雖然其熱功率較高，但會導致其熱效率較低; 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，復合相變材料 P2 中石蠟的質量分數(shù)較為理想。

圖 4 復合相變材料的 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，在空氣氣氛下進行 TGA 分析，純石蠟在 185 ℃ 左右開始失重，當溫度達到380 ℃時總質量損失率約為 100%，由此可驗證所制備的復合相變材料中石蠟的含量。由此可以看出，在 200 ℃ 內復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，復合相變材料中的石蠟已發(fā)生固-固相變過渡階段和固-液相變階段，石蠟已由固體轉變?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合相變材料內，僅有少量的液體石蠟蒸發(fā)后轉變?yōu)闅怏w并脫離復合相變材料。在 200～300 ℃范圍內，材料質量急劇下降，且石蠟含量最低的一組質量損失最少，說明在此溫度范圍內，復合相變材料中的液體石蠟開始大量蒸發(fā)轉變?yōu)闅怏w并脫離埃洛石的吸附。

圖 5 純石蠟及復合相變材料的 TGA 曲線

圖 5 為純石蠟及所制備試樣的 TGA 曲線，在空氣氣氛下進行 TGA 分析，純石蠟在 185 ℃ 左右開始失重，當溫度達到380 ℃時總質量損失率約為 100%，由此可驗證所制備的復合相變材料中石蠟的含量。由此可以看出，在 200 ℃ 內復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，復合相變材料中的石蠟已發(fā)生固-固相變過渡階段和固-液相變階段，石蠟已由固體轉變?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合相變材料內，僅有少量的液體石蠟蒸發(fā)后轉變?yōu)闅怏w并脫離復合相變材料。在 200～300 ℃范圍內，材料質量急劇下降，且石蠟含量最低的一組質量損失最少，說明在此溫度范圍內，復合相變材料中的液體石蠟開始大量蒸發(fā)轉變?yōu)闅怏w并脫離埃洛石的吸附。

2.5 復合相變材料導熱性能分析

在相變儲能材料中，導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)有機相變材料的導熱系數(shù)偏低，從而導致熱量儲存和釋放速率偏低，因此限制了其在實踐中的應用。通過前面的探討已確定石蠟與埃洛石的最佳配比，其中石蠟的導熱系數(shù)為 0．21 W/( m·K) ，數(shù)值偏低。T-ZnOw 的導熱性較好，屬于金屬氧化物導熱填料，在增強基體導熱的同時不會破壞基體的絕緣性能。由于四針狀立體結構的特性，其在基體中更容易形成導熱網(wǎng)絡，增強復合材料的導熱性。因此，通過在復合相變材料中加入質量分數(shù)為10%的 T-ZnOw 對其進行改性，并采用 TC3000E 便攜式導熱儀器測試樣品的導熱系數(shù)，同一實驗條件下測試五次取平均值。

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

表 2 復合相變材料的導熱系數(shù)

2.6 電機繞組澆注及溫升曲線分析

本實驗中使用的電機的主要相關參數(shù)如表 3 所示。

表 3 電機的主要相關參數(shù)

在電機繞組澆注前，將電機安裝在機座上，并與控制板、外接負載、外接電源和測功機連接，連接完成后電機實驗系統(tǒng)如圖 6 所示。將外接電源調整到輸入電壓 18 V、輸入電流3 A 后通電，并在恒溫室內用 FLIＲ-T530 紅外測溫儀測量通電后電機繞組的機殼溫度。

圖 6 電機實驗系統(tǒng)

取適量石蠟/埃洛石/T-ZnOw 復合相變材料與烘干型絕緣漆混合，放入 80 ℃ 鼓風干燥箱內干燥 30 min，取出后澆注到電機繞組上，重復澆注兩次，使制備的復合相變材料充分附著到電機繞組上。圖 7a 為未澆注的電機繞組，可以發(fā)現(xiàn)定子繞組之間存在大量空隙，可以通過填充大量的復合相變材料來降低電機的內部溫度; 圖 7b 為對電機繞組進行一次澆注后的效果圖，可以發(fā)現(xiàn)復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合相變材料; 圖 7c 為對電機繞組進行二次澆注后的效果圖，可以看出復合相變材料已充分填充繞組孔隙，涂抹在繞組表面的復合相變材料附著良好。由于中心為電機轉子部分，需要留出足夠的空間安裝電機轉子，中心空白部分無法填充復合相變材料，且在繞組表面涂抹復合相變材料時不能涂抹得太厚，厚度太大會導致殼蓋無法正常合上。澆注完成后使用電子天秤稱量計算得到最終澆注的材料約 4．55 g，按質量分數(shù)計算含有的石蠟約 0．875 g。

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

電機繞組澆注完成后將其安裝回機座并連接好外接器件，將外接電源調整到輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 后通電，并在恒溫室內用紅外測溫儀測量電機機殼溫度。紅外測溫電機繞組澆注完成后將其安裝回機座并連接好外接器件，將外接電源調整到輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 后通電，并在恒溫室內用紅外測溫儀測量電機機殼溫度。紅外測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，左上角會顯示測試區(qū)域中的最高溫度值。在外接電源通電 11 min 后，未加復合相變材料的空白組與添加復合相變材料的實驗組在該時刻的測試效果圖分別如圖 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驗組，這是由于空白組的整體溫度高于實驗組; 且空白組的最高溫度值與實驗組相差約 3 ℃，這是因為復合相變材料中的石蠟吸收了部分熱量，表明添加的復合相變材料能改善電機的散熱問題。

圖 8 通電 11 min 時( a) 空白組與( b) 實驗組的測試效果圖( 電子版為 彩圖)

再以輸入電壓 18 V、輸入電流 3 A 對空白組和實驗組進行 15 min 的通電測試，通電過程中全程使用紅外測溫儀測量電機機殼溫度，對測量出來的溫度數(shù)據(jù)以 10 s 為間隔采點，將空白組( 未添加相變材料) 和實驗組( 添加了復合相變材料) 的所有采點繪制成溫度曲線，如圖 9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在空白組與實驗組輸入功率和初始溫度相同的情況下，隨著通電時間的延長，兩組電機的機殼溫度持續(xù)升高，且同一時刻下兩組溫度差異越來越大。在 55～60 ℃的溫度區(qū)間內，空白組與實驗組的升溫趨勢存在較大差異，在該溫度區(qū)間內空白組的溫度呈現(xiàn)快速爬升狀態(tài)，而實驗組的溫度先呈現(xiàn)出近似平緩即恒溫的狀態(tài)，然后溫度才再次恢復緩慢爬升的狀態(tài)。這是由于在該溫度區(qū)間內復合相變材料中的石蠟發(fā)生固-液相變，石蠟由固體轉變?yōu)橐后w的過程會從外界吸收大量的熱量，在復合相變材料中的固體石蠟未完全轉變?yōu)橐后w石蠟前，整體溫度會維持在石蠟的相變溫度左右，因此才會出現(xiàn)近似平緩即恒溫的狀態(tài)。本實驗中采用的石蠟為58 號全精煉石蠟，從前面的產(chǎn)物儲熱性能分析中得出該復合相變材料的相變溫度區(qū)間為 60～65 ℃，但在測出的溫度曲線中其相變溫度區(qū)間提前到了 55 ～ 60 ℃。這是由于紅外測溫儀測試的是電機機殼溫度，無法探測器件內部定子繞組的溫度，機器運行時產(chǎn)生的熱量從內部傳遞到外部需要一定的時間，導致機殼內外存在一定的溫度差，因此才會出現(xiàn)相變溫度區(qū)間提前的現(xiàn)象，實際在該時間段機殼內溫度已達到了石蠟的相變溫度，石蠟已經(jīng)開始發(fā)生固-液相變，并從外界吸收熱量。

圖 9 空白組與實驗組的溫度曲線

在 15 min 時，空白組的最高溫度為 70 ℃，實驗組的最高溫度為 62．5 ℃，二者相差 7．5 ℃。在同樣的輸入功率和外界溫度條件下，添加的復合相變材料中約 0．875 g 的石蠟使電機機殼外部溫度下降約 7．5 ℃，而機殼內部的降溫效果將更加顯著，證明該復合相變材料對降低短時高功率密度電機的內部溫度具有重要的應用價值。

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 中測功機下方顯示的依次為轉矩、轉速和輸出功率，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驗組通電 15 min，通過調節(jié)外接負載的大小使得實驗組結束時刻的溫度升高到與空白組結束時刻的溫度近似，如圖 10b 中測功機顯示該條件下實驗組的輸出功率為 55．155 W。在同樣的輸入功率和外界條件下，調節(jié)實驗組的外接負載使得空白組與實驗組在相同的時間內提升相同的溫度，實驗組的最終輸出功率比空白組提升了近10%，證明將該復合相變材料添加到電機上可以提高電機輸出功率，從而提高電機的功率密度。

圖 10 測功機顯示( a) 空白組和( b) 實驗組的輸出功率2.7 溫敏電阻誤差分析

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

圖 11 通電 3 min 時( a) 空白組與( b) 實驗組的測試效果圖

將通過溫敏電阻反映的溫度變化數(shù)據(jù)和紅外測溫儀測量的溫度變化數(shù)據(jù)以 5 s 為間隔踩點繪制成溫度曲線，如圖 12所示。可以發(fā)現(xiàn)實驗組在兩種測溫方式下溫升趨勢基本一致，且使用溫敏電阻反映溫升曲線時，復合相變材料的相變過程在曲線中能更加明顯地反映出來; 空白組在兩種測溫方式下，曲線前半段趨勢一致，但后半段紅外測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，這是因為此時溫敏電阻阻值偏小，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，導致溫升曲線變化幅度很小。

圖 12 溫敏電阻和紅外測溫儀的溫度曲線

兩組溫敏電阻反映的溫升曲線中，空白組與實驗組在190 s時溫差最大，此時空白組為 74． 409 ℃，實驗 組為57．466 ℃，兩組相差 16．943 ℃，充分證明該復合相變材料對降低短時高功率密度電機的內部溫度具有重要的應用價值。

3 結論

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

( 2) 石蠟被均勻吸附在埃洛石的孔洞結構中，最優(yōu)吸附量為 50%( 質量分數(shù)) ，且形態(tài)穩(wěn)定，無任何泄漏。( 3) DSC 測試表明復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，這是因為復合相變材料合成過程中石蠟和埃洛石基體只是簡單的物理結合而沒有發(fā)生化學反應。TGA 測試表明埃洛石對封裝在內部的石蠟有很好的保護作用，在使用過程中復合相變材料質量不會減少，因此不會影響到其自身的性能。

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

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

來源：材料導報 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)大學太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 2 襄陽市三三電氣有限公司

以上部分資料圖片轉載于網(wǎng)絡平臺"TM熱管理“，文章僅用于交流學習，版權歸原作者。如有侵權請告知，立刪。