エポキシガラス繊維シートの耐熱性を向上させる方法 |マテリアルガイド

エポキシ グラスファイバー シートの本当の試練は熱です

私たちはこの故障パターンを何度も見てきました。リチウム電池器具の絶縁板はすべての室温検査に合格しますが、数か月以内に端が黒ずみ、表面がワックス状になり、絶縁耐力が 3 分の 1 近く低下します。この器具は、終日 70 °C で動作するセルから数センチメートル離れたところに設置されており、時折 100 °C を超える温度上昇が発生します。この故障は品質事故ではありませんでした。

エポキシ グラスファイバー シートの耐熱性はシステムの特性です。これは、エポキシ樹脂ネットワーク、ガラス繊維とその表面仕上げ、フィラー パッケージ、およびそれらを溶接する硬化プロセスという 4 つの相互作用する部品から構築されています。 1 つの部分を改善すると、数度のレベルが上がります。 4 つすべてを調整して改善すると、連続使用温度は約 120 °C から 180 °C 以上に上昇します。

エポキシグラスファイバーシートの熱性能を制限するもの

解決策について議論する前に、熱パフォーマンスを妨げる 4 つの上限を特定することが役立ちます。

ガラス転移温度が最初の上限を設定する

硬化したエポキシは、ガラス転移温度 (Tg) より低い温度では硬い固体のように動作します。シートを Tg を超えて加熱すると、ポリマーネットワークが軟化し、曲げ弾性率が低下し、クランプ圧力下で材料がクリープし始めます。一般的な硬化剤を使用した標準的なビスフェノール A エポキシの温度は 110 °C ～ 140 °C であり、一般的な電気絶縁には許容されますが、モーター巻線、変圧器コア、またはバッテリー接点付近では限界があります。実際的なルールとしては、連続動作温度は Tg を十分に下回る値に保つ必要があり、Tg はデータシートから単純にコピーするのではなく、示差走査熱量測定 (DSC) または動的機械分析 (DMA) で検証する必要があります。

繊維と樹脂の界面は熱サイクルで最初に破壊されます

ガラス繊維はゆっくりと膨張します。エポキシはより速く膨張します。熱サイクル中、繊維と樹脂の界面にせん断応力が集中します。界面が弱い場合、バルク樹脂が劣化するずっと前に微小亀裂が発生し、それらの亀裂が湿気、トラッキング、部分放電の経路となります。これが、ガラス仕上げのシランカップリング剤が表面処理の詳細ではなく、真の熱性能特性である理由です。

熱老化はルールを変える

耐熱性は、シートが数分間耐えられるピーク温度だけを意味するものではありません。それはまた、何年も続く暑さを乗り切ることでもあります。エポキシは 150 ～ 200 °C でゆっくりと酸化し、重量が減少し、脆くなり、表面に亀裂が生じます。短期間のテストに合格したラミネートは、500 時間の老化後には曲げ強度が半分に失われる可能性があります。このため、マーケティングパンフレットに記載されている最高気温よりも、相対温度指数 (RTI) などの長期的な指標の方が重要です。

実際に耐熱性を向上させる 4 つの方法

改善は樹脂配合段階から始まり、規律あるプロセス管理で終わります。各ステップは、測定可能で積み重ね可能な利益に貢献します。

樹脂の化学と硬化システム

標準のビスフェノール A エポキシを多官能性エポキシまたはノボラック エポキシに置き換えると、最も早く効果が得られます。これらの樹脂は、より緻密な架橋ネットワークを形成し、Tg を上昇させ、酸化分解を遅らせます。芳香族アミンまたは無水物硬化剤と組み合わせると、従来の硬化剤と比較して熱マージンが約 20 ～ 40 °C 追加され、制御された後硬化ステップにより、最終的な Tg がシートの使用時の最高温度よりも高くなります。樹脂の決定は含浸段階で固定されます。これが当社の理由です。 エポキシプリプレグライン 最初から熱性能を考慮して設計されています。ガラスクロスがコーティングされると、その後のプロセスステップで弱い配合物を回復することはできません。

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ガラス繊維および界面工学

ファイバータイプは長期的な上限を設定します。標準の E ガラスは、ほとんどの断熱用途には十分ですが、持続的な熱を目的とした積層品には、高温でも剛性を維持し、加水分解に対する耐性が高い E-CR ガラスまたは S ガラスが使用されます。ガラスの仕上げも同様に重要です。適合性のあるシランカップリング剤がガラス表面とエポキシネットワークの間に化学結合を形成し、熱サイクル下での界面の破損を遅らせ、経時変化後の曲げ強度を維持します。

熱を吸収して膨張を遅らせるフィラー

溶融シリカ、アルミナ、窒化ホウ素などの熱伝導性と電気絶縁性のフィラーは、熱膨張係数を下げ、ホットスポットから熱を奪います。水酸化アルミニウムは異なる働きをします。200 °C を超えると水蒸気を放出し、火炎の広がりと煙を抑制します。凝集したフィラーは応力集中を引き起こし、高温での機械的性能を低下させるため、フィラー パッケージは粒径と分散が制御されている場合にのみ機能します。

硬化サイクルとプロセス制御

化学は、それを実現するプロセスによってのみ優れています。ほこりや湿気によってボイドが生じ、加熱すると破損の核となるため、ラミネートは管理された環境でレイアップする必要があります。熱と圧力下での固化は、樹脂システムに合わせた硬化サイクルに従う必要があり、その後、内部応力を軽減する後硬化が行われます。当社の 32,000 平方メートルの生産拠点では、一定温度のワークショップと 100,000 クラスのクリーンルームがこのステップを保護し、完成したシートが実際に化学薬品が約束する Tg に達するように、硬化スケジュールが樹脂グレードごとに調整されています。

指定する前に高温パフォーマンスを検証する方法

改善の主張には証拠が必要です。サプライヤーを比較するときは、見出しの Tg に注目して、以下の物件を尋ねてください。

硬化サイクル、試験片の厚さ、エージングプロトコル、コンディショニングなど、各値の測定方法を説明できるサプライヤーは、1 ページのデータシートを送信するサプライヤーよりも信頼できます。の 熱硬化性プリプレグに使用される熱試験規格 リクエストするレポートの完全なセットの実用的なテンプレートを提供します。

実際の製品では熱性能の向上が重要です

高温耐性は抽象的な仕様ではありません。これは、要求の厳しい少数のアプリケーションの信頼性に直接影響します。

リチウム電池パックとパワーエレクトロニクス

リチウム バッテリ パック内のセルは継続的に熱を発生し、高放電中にバスバーとコネクタがホット スポットを生成します。セル間、バスバーの下、またはパックのハウジング内で使用される絶縁シートは、80 ～ 100 °C で数時間ではなく数年間絶縁耐力を保持する必要があります。同じ理由で、私たちの エポキシグラスファイバー絶縁板 UL 94 V0 規格の配合と制御された厚さで製造されており、バッテリー パックの絶縁および電気機器に広く使用されています。製造も行っております バッテリーパックのハウジングと絶縁コンポーネント 完成部品にも同様の熱規律を必要とするお客様向け。

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PCB 治具およびはんだ付けツール

テスト治具とウェーブはんだ付けパレットは繰り返し熱衝撃を受けます。 Tg が不十分なシートは柔らかくなり、反り、寸法精度が失われ、それがプローブの位置ずれやテスト サイクルの失敗に直接つながります。より高い Tg のラミネートは、リフロープロセスを繰り返しても平坦性を維持します。

変圧器、開閉装置、回転機

変圧器や開閉装置では、絶縁プレートが異なる電位の導体を分離します。ホットスポットと湿度の組み合わせは電気トラッキングの典型的なレシピであるため、動作温度での高い CTI と安定した絶縁耐力が安全上重要になります。モーターや発電機では、スロット絶縁は熱と振動の両方に耐える必要があります。繊維と樹脂の界面の品質によって、寿命が決まります。

アプリケーションが電気的ではなく構造的であり、電圧ではなく負荷が設計の推進要因である場合 炭素繊維複合板 が通常の選択です。断熱と機械的サポートの両方が必要な極端な熱条件では、 高温アラミド繊維生地 は評価に値する補完的な材料ファミリーです。

実践的なポイント

エポキシ グラスファイバー シートの耐熱性は、単一のデータシートの数値ではありません。これは、多機能樹脂、適合した硬化剤、熱的に安定した繊維、制御されたフィラー、約束された Tg を実現する硬化サイクルといった調整されたシステムの結果です。各レイヤーは測定可能なマージンを追加し、最も弱いレイヤーが最終的な制限を定義します。

シートを指定する場合は、連続使用温度、ピーク温度、想定寿命を最初に定義します。次に、新しい値だけでなく、経年データも要求します。ガラスクロスの含浸から最終パネルのラミネートまで、完全なプロセス管理を備えたメーカーは、熱性能が最初のステップから組み込まれているため、明確な答えを与えることができます。