新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法及用途技术

本发明专利技术公开了复合材料老化寿命试验方法和算法及用途。将试样分别置于四个温度环境中经受湿热、高低温冲击和高低温交变循环和指定时间；用叠层组合试件测定试样的理化电气性能；将微气化膨胀振荡方程式的参数拟合；将参数动力学关联方程式(2)中常数拟合；用常数方程式(2)计算在任意温度环境中参数的新值；将参数的新值代回方程式(1)，评判或预测试样在任意时间的理化电气性能。最高老化温度可达298℃，不但突破了GB/T 20028、ASTM G 166、ASTM G 169、ISO 2578、UL 746B标准的局限性，而且线性相关系数R

【技术实现步骤摘要】
新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法及用途
本专利技术属于聚合物基复合材料长期老化寿命预测的试验方法和算法领域，提出了一套适用于实际服役工况下聚合物基复合材料长期可靠性、安全性和环境适应性评判预测方法。具体的应用案例涉及以新能源动力电池包和5G/6G设备热管理、芯片与散热器、热源与冷沉界面所用绝缘导热材料的服役寿命评判或预测。
技术介绍
新能源汽车产业和5G/6G技术的兴起，全球处于同一起跑线上。其中与这些产业动力电池包配套的、不可或缺的热管理界面绝缘导热材料技术也是如此。虽然目前国内外的界面绝缘导热材料品种已经不少，但是在界面绝缘导热材料的设计、生产和应用的整个产业链上，还没有建立起相应的服役寿命评判或预测标准方法。目前，包括学术界、新能源汽车整机厂、5G/6G整机厂、界面绝缘导热材料研究机构和制造厂商在内，暂时所用的可靠性评估方法都是借用IEC60068-2系列标准，与该系列标准等同(IDT)的中译本是GB/T2423。以IEC60068-2标准作为“应急方案”，虽然可以通过“湿热、高低温冲击、高低温交变循环”三种老化条件的例行试验，但是并未解决界面绝缘导热材料在实际服役工况下长期服役寿命的评判或预测难题。如果不建立起界面导热材料在可靠性、安全性和环境适应性方面的科学评判标准方法体系，这必将存在一个世界性的长期隐患。实际上，IEC60068-2标准仅仅适用于小型电工电子元件耐湿热的短期老化性能评估，并不适用于新能源动力电池包和5G/6G设备热管理界面绝缘导热材料的长期可靠性、安全性和环境适应性评判或预测。这是由于在IEC60068-2涉及的电气产品中，其电工电子元器件的寿命目标一般设计为(8～10)年，而手机和电脑等快消电子元器件产品的设计寿命一般都在8年以下，所以按照IEC60068-2系列标准来评判(8～10)年老化趋势，则是允许的，也是足够的。但是，界面绝缘导热材料属于聚合物基复合材料，不仅其老化行为与电工电子元器件存在本质的差异，而且设计要求和服役寿命的目标也发生了变革，以新能源动力电池包为例：以往是CMP结构——由机械紧固零件将电芯装配为电池模组，再由机械紧固件将模组集成为电池包，即所谓CelltoModeltoPack结构；现在和将来是CTP结构——采用导热结构胶，一步法将电芯直接粘接成完整的电池包，即所谓CellToPack结构，该路径可以使电池包减少机械零件数量约40％、提高体积利用率(15～20)％、提高单位体积的续航里程(15～17)％、提高制造效率近50％，可大幅降低制造成本；另外，更为重要的是新能源汽车动力电池包要求界面绝缘导热材料的可靠性、安全性和环境适应性，需要体现在具体六大目标上：1)功能使命：高强度、高韧性、高导热、高绝缘，例如在电芯与水冷板以及加热带之间，可最大限度代替金属紧固构件，直接粘结密封，构成CTP电池包；2)服役寿命：45℃环境中服役寿命大于50年，其中公路运行25年、贮能运行25年；3)服役温度：-45℃～60℃交变循环，持续正常服役50年或以上；4)灾难冲击：12m自由落体、45°倾斜行驶叠加冲击，确保电芯正负极不短路爆燃；5)阻燃性：离火即灭，阻燃性高于UL94最严的V0标准；6)耐电压：当胶层最小厚度薄至0.28mm时，2500V电压仍不击穿。很显然，如果继续借用IEC60068-2系列标准，则无法在很短的年限内预先给出50年之后界面绝缘导热材料理化电气性能的状态。另外，虽然学界有公认的高温加速老化预测聚合物基复合材料半衰期的框架标准和案例，例如GB/T20028、ASTMG166、ASTMG169、ISO2578、UL746B，但是对于具体成型产品在工程上的应用而言，由于工程环境涉及的安装结构因素多，会导致老化因素远比单纯材料在实验室试验条件更为复杂，这些框架标准也不能直接给出成型材料具体应用状态下服役寿命的预测方法。曾经在某型号复合固体推进剂服役寿命预测[1]研究项目中发现，目前公认预测聚合物基复合材料长期老化寿命框架标准的严重缺陷是：采用单一物质活化能的阿累尼乌斯方程式(ArrheniusEquation)来预测的，这对于纯度较高、单一成分材料、单一晶相区的老化趋势预测具有较高的线性相关系数R2，但对于由多种组分构成的复合材料、在复杂安装结构环境中的老化趋势预测，则线性相关系数R2较低、预测偏差会超出允许的边界。所以，国内外至今未有针对在“双面金属板夹心饼干结构”服役环境中、存在持久恒定压缩形变的界面绝缘导热材料长期老化趋势、可靠性评估试验方法和算法的报道，而且国内外处在同一起跑线上，都没有直接的试验方法、算法和结论可以引用。因此，有必要专利技术一套聚合物基复合材料尤其界面绝缘导热材料老化寿命试验方法和算法。参考文献[1]肖扬华，叔丁基二茂铁的迁移挥发及其对燃速的影响，中国宇航学会(北海舰队司令部)会议论文，1984年9月：《推进技术》1985，6(2)：49-60。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一套聚合物基复合材料尤其界面绝缘导热材料老化寿命的试验方法和算法及其应用。以解决新能源汽车动力电池包的理化电气性能五十年老化趋势的评判或预测技术难题。为达上述目的之一，本专利技术的新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法，包括：将目标试样制成开放试样、封闭试样、夹具压缩试样的任一种或任意两种的组合体试样，作为老化寿命试验的标准试样；将标准试样分别置于至少四个指定恒定温度环境中，并且在每个温度环境中再分别经受湿热、高低温冲击和高低温交变循环的至少一种条件下，经历指定时间或累计循环次数；用该标准试样或叠层组合试件测试目标试样的理化电气性能；用理化电气性能实测值将微气化膨胀振荡方程式(1)中十五个参数拟合；再将十五个参数的动力学关联方程式(2)中三个常数拟合；用拟合的常数一一代回动力学关联方程式(2)，计算在任意指定恒定温度环境中十五个参数的新值；将十五个参数的新值一一代回方程式(1)，评判或预测目标试样在任意指定时间或累计循环次数的湿热、高低温冲击、高低温交变循环的至少一种条件下，在任意指定时间的理化电气性能。为达上述目的之二，本专利技术的新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法的用途，包括；采用所述的老化寿命试验方法和算法，评判或预测目标试样在任意指定恒定温度环境中、任意指定时间或累计循环次数的所述理化电气性能；或者评判或预测在指定恒定温度环境中任一理化电气性能的半衰期，或者评判或预测在指定服役时间20000小时的任一理化电气性能的额定温度；所述理化电气性能还包括颜色、密度、导热系数、析油率、压缩永久变形率、比热、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、对接拉伸粘结强度、搭接剪切粘接强度、玻璃化温度、线胀系数、击穿强度、直流或交流抗漏电、体积电阻率、介电常数、损耗因子、氧指数、阻燃性、真空挥发物、吸水性、耐霉菌、烟密度、烟气指数、燃气毒性指数的至少一项。进一步地，所述复合材料包括：聚合物基复合材料的固体、流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法，其特征在于包括：将目标试样制成开放试样、封闭试样、夹具压缩试样的任一种或任意两种的组合体试样，作为老化寿命试验的标准试样；将标准试样分别置于至少四个指定恒定温度环境中，并且在每个温度环境中再分别经受湿热、高低温冲击和高低温交变循环的至少一种条件下，经历指定时间或累计循环次数；用该标准试样或叠层组合试件测试目标试样的理化电气性能；用理化电气性能实测值将微气化膨胀振荡方程式(1)中十五个参数拟合；再将十五个参数的动力学关联方程式(2)中三个常数拟合；用拟合的常数一一代回动力学关联方程式(2)，计算在任意指定恒定温度环境中十五个参数的新值；将十五个参数的新值一一代回方程式(1)，评判或预测目标试样在任意指定时间或累计循环次数的湿热、高低温冲击、高低温交变循环的至少一种条件下，在任意指定时间的理化电气性能。/n

【技术特征摘要】
1.新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法，其特征在于包括：将目标试样制成开放试样、封闭试样、夹具压缩试样的任一种或任意两种的组合体试样，作为老化寿命试验的标准试样；将标准试样分别置于至少四个指定恒定温度环境中，并且在每个温度环境中再分别经受湿热、高低温冲击和高低温交变循环的至少一种条件下，经历指定时间或累计循环次数；用该标准试样或叠层组合试件测试目标试样的理化电气性能；用理化电气性能实测值将微气化膨胀振荡方程式(1)中十五个参数拟合；再将十五个参数的动力学关联方程式(2)中三个常数拟合；用拟合的常数一一代回动力学关联方程式(2)，计算在任意指定恒定温度环境中十五个参数的新值；将十五个参数的新值一一代回方程式(1)，评判或预测目标试样在任意指定时间或累计循环次数的湿热、高低温冲击、高低温交变循环的至少一种条件下，在任意指定时间的理化电气性能。


2.新能源热管理复合材料老化寿命试验方法和算法的用途，其特征在于包括：采用所述的老化寿命试验方法和算法，评判或预测目标试样在任意指定恒定温度环境中、任意指定时间或累计循环次数的所述理化电气性能；或者评判或预测在指定恒定温度环境中任一理化电气性能的半衰期，或者评判或预测在指定服役时间20000小时的任一理化电气性能的额定温度；所述理化电气性能还包括颜色、密度、导热系数、析油率、压缩永久变形率、比热、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、对接拉伸粘结强度、搭接剪切粘接强度、玻璃化温度、线胀系数、击穿强度、直流或交流抗漏电、体积电阻率、介电常数、损耗因子、氧指数、阻燃性、真空挥发物、吸水性、耐霉菌、烟密度、烟气指数、燃气毒性指数的至少一项。


3.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述复合材料包括：聚合物基复合材料的固体、流体、熔体的任一种；或固体、流体、熔体中任意两种状态的混合体；或橡胶、塑料、纤维、热固性材料的任一种及其复合物；或弹性体、粘合剂、密封剂、泡沫材料的任一种及其复合物。


4.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述目标试样包括：将所述复合材料制成符合相应理化电气性能试验标准规定形状的试样。


5.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述开放试样包括：没有使用不同于目标试样化学成分的材料、包裹物或容器将目标试样加以涂覆、包裹、包夹或封闭，而是将目标试样裸露在老化环境中。


6.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述封闭试样包括：使用不同于目标试样化学成分的材料、包裹物或容器，采用涂覆、包裹、包夹或封闭的任一种方式，使目标试样表面积的部分或全部与老化环境隔离。


7.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述夹具压缩试样包括：用至少两块刚性板将目标试样夹合成“夹心饼干”结构，用紧固件将两块刚性板的间距调整到指定的厚度或压缩率或压强；所述刚性板边缘轮廓线的形状含弧线、直线、折线的任意一种，或含弧线、直线、折线任意两种首尾连接合围而成；所述刚性板的尺寸根据理化电气性能测试要求目标试样的大小对应设置，当刚性板受力容易翘曲变形时，在刚性板的一个面上设置“+、×、＝、#”形加强筋的任意一种或任意两种的组合体，以抵抗翘曲变形。


8.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述组合体试样包括：在所述目标试样的表面积上，部分表面积是开放试样状态、另一部分表面积是封闭试样状态；或者将夹具压缩试样再制成封闭试样状态。


9.根据权利要求1和权利要求2所述的老化寿命试验方法和算法及其用途，其特征在于所述指定恒定温度包括：在允许的温度测量误差范围内，至少在一个烤箱或烘房或库房内在温度400℃以下设定实验所需要的一个恒定温度；或者以温度曲线为纵坐标、时间为横坐标，以温度曲线下的面积与相应时间比值的平均温度作为恒定温度。


10.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述湿热包括：在所述指定恒定温度环境中，在烤箱或烘房或库房内控制空气氛、氧化性气氛、还原性气氛、惰性气体氛的任一种或混合介质的水分含量，以控制相对湿度在(5～100)％之间。


11.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述高低温冲击包括：在指定较高温度环境中经历指定时间后，按照指定的降温速率，使目标试样过渡到较低温度环境中再经历指定时间；或者在指定较低温度环境中经历指定时间后，按照指定的升温速率，使目标试样过渡到较高温度环境中再经历指定时间。


12.根据权利要求1所述的老化寿命试验方法和算法，其特征在于所述高低温交变循环包括：按照指定的降温速率和升温速率，使目标试样在较高指定恒定温度和较低指定恒定温度环境之间，交替过渡经历指定时间或累计循环次数；所述交替过渡是以温度曲线为纵坐标、时间为横坐标，温度曲线的轮廓形状包括直线、折线和弧线的任一种或两种首尾连接而成的循环往复、高低起...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖扬华，陈海久，胡黎明，陈武洲，缪宗倍，
申请(专利权)人：深圳市金菱通达电子有限公司，东莞金菱通达导热材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44