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“漏胶”的生产线
近几年动力电池厂商们的业绩可谓是高歌猛进，按照实际装车量统计由CATL、BYD以及CALB构成的“Pack三巨头”格局已然形成！
而本期想要探讨的问题，就发生在了其中某一家“Pack巨头”生产车间的导热胶装配线上……
（高工产业研究院）
我们知道，导热胶是“热管理”最为核心的材料方案之一。
这种胶黏剂产品因为具备比较高的导热率，所以只要将它涂在电池的发热部位，热量就能非常高效地传导出来，进而有效降低电芯的“热失控”风险！
动力电池的生产线——导热胶组装
只不过正所“谓汝之蜜糖此之砒霜”，这个对于动力电池的热管理来说有如“活雷锋”的导热胶，一旦放到了生产线的点胶机上就变成了一个不折不扣的“麻烦”！
就以前文那家“Pack巨头”的遭遇为例——2021年春季，他们一条全新的生产线正式投入运行，但是没想到刚刚过了2个月产线上的数台点胶机就同时出现了漏胶问题。
经过排查发现，原来是点胶机的泵体内部出现了比较严重的磨损，而罪魁祸首就是与之配套的一款2.0W/m.K的导热胶！
磨蚀引发的点胶泵“漏胶”（graco）
要说这个问题本来也不值得大惊小怪，因为“导热胶”自带强烈的磨蚀性这件事地球人都知道，点胶机被它“磨漏”是再正常不过的事情。
但这次的问题在于，那几台被“磨漏”的点胶机是设备工程师们专门订购的“耐磨机型”，它们的内壁都镀有陶瓷或碳化钨之类的硬质涂层，理论上来讲足以对抗导热胶的磨蚀才对，怎么会在短短2个月就被“磨漏”了呢……
之后工程师们又连续测试了多款主打“耐磨”的点胶设备，但情况的改善依然非常有限。直到设备大厂Graco送来了一款当时他们刚刚开发出来的创新产品：Elite耐磨蚀结构供料泵，事情才终于有了转机——
相较于其他机型在使用2～3个月后就开始“漏胶”，Graco这款Elite供料泵在未更换密封件和柱塞杆这两个关键组件的情况下竟然稳定连续运行了长达12个月之久！
（graco）
对于这个现象Graco从两个方面给出了解释：
一个是因为Elite系列设备并没有照搬当前主流的“硬质涂层”方案，取而代之将柱塞和缸体直接采用了“耐磨蚀材料”来铸造；
（graco）
而另一个也是更为关键的原因则是，Graco为这个系列的点胶机开发出了一种能够大幅延长密封件寿命的“Elite耐磨蚀结构”。
这种创新性的结构设计让点胶机的耐久性大幅提升，最终帮助泵体抗住了导热胶强烈的磨蚀性！
（graco）
那么Elite耐磨蚀结构究竟是一种什么结构，为什么它的出现就让“漏胶”出现的时间大为延后呢？
要想讲清楚个中原委，我们就要从导热胶特有的“泥沙俱下”的属性说起了。
“泥沙俱下”的导热胶
之所以用“泥沙俱下”这个词来形容导热胶，主要是因为它的体内含有大量像“细砂”一样的导热填料。
这些微米级填料的导热率往往高达30~300W/m.K，当它们彼此搭接起来形成导热通路，热量就能经由它们高效传导出来了。
导热胶中含有大量导热填料
不过因为这些填料颗粒在导热胶内的分布往往是均匀且离散的，所以要想搭建起足够多的导热通路就必须保证添加的导热填料非常大量才行。
就以刚才那款将点胶机“磨漏”的2.0W/m.K导热胶为例，TDS显示它的密度是2.95g/ml，结合导热填料与硅树脂的密度我们就能推测出其中导热填料的体积百分比vol%大概率会超过60%！
也就是说，区区2.0W/m.K导热率就需要添加如此大量的填料才能实现，那么其他动辄6.0~8.0W/m.K的高导热凝胶将是何等“泥沙俱下”也就不难想像了！
导热填料在2W/m·K导热胶中体积占比超过60%
但问题还不止于此，如果再查询一下莫氏硬度表就能发现这些让导热胶变得“泥沙俱下”的导热填料往往还都特别硬！
就以最为经典的导热填料氧化铝为例，它的莫氏硬度高达9.0，远高于包括高碳钢在内的绝大多数高硬度金属！
如果我们再将氮化硼和金刚石这几款近些年才开始走红的新型导热填料也考虑进来，那么干脆就可以说导热填料是世界上最为坚硬的物质了！😅
于是乎，如此大量又坚硬的导热填料随着导热胶在点胶机的管路中流动穿梭，其效果无异于砂纸对金属内壁的研磨。
等过上个一年半载，点胶机的缸体和柱塞必然都会被磨得变形走样，到时候“漏胶”自然也就是无可避免的结局了！
（www.sealsolutionsaustralia.com.au）
不过细心的小伙伴们看到此处肯定会发现哪里不对了——
既然导热胶要想把设备“磨漏”往往需要个“一年半载”，那为什么前文提到的Pack巨头的点胶机才用了短短两三个月就挂掉了呢？
更何况，那些还都是内壁镀有碳化钨或陶瓷涂层的“耐磨机型”，就凭其极高的莫氏硬度也不会如此轻易就被导热胶“磨漏”才对啊！
（graco）
如此看来，导热填料还不是问题的全部症结所在！要想找出“漏胶”的真相，我们就要深入到设备内部看一下究竟发生了什么才行。
“漏胶”的真相
在查询了很多论文后我们惊讶地发现，原来这个问题也同样困扰着泥浆泵领域的研究人员了。
因为“泥浆”和“导热胶”同样都是“泥沙俱下”的流体，所以参考他们的论文我们也能大致看出来导热胶的点胶机究竟是如何被“磨漏”的。
这些论文先是定位了泵体的磨蚀区域，然后再对其建立FEA力学仿真。结果发现在设备投入运行的早期阶段，泥沙之类的硬质颗粒对于泵体的“磨蚀”其实是非常有限的。此时真正造成比较大破坏的，反倒是作用在密封圈上的应力！
具体看一下应力云图就能发现，当泵体工作时密封圈各区域的应力分布极其不均匀——
比如A区域的应力值只有10Mpa左右，但是到了B区域就一下子飙升到了60Mpa以上！👇
我们知道，对于密封圈这种高分子材料来说，过大的应力很容易引起永久性的塑性形变，进而导致密封圈与缸体之间的接触应力大幅降低！
（百度百科）
在这种情况之下密封圈的密封性能将所剩无几，此时如果泵送压力比较大，导热填料就很容易钻入密封圈与缸体之间的缝隙。👇
而到了这个阶段，才轮到导热胶的磨蚀性展现它的破坏力！
那些坚硬的导热填料会随着柱塞往复运动，对缸体和密封件不停“切削”。
这种“切削”在短时间内不至于损坏金属的柱塞和缸体，但是对于高分子材料的密封圈造成的伤害却是立竿见影！
一般来说，大部分密封圈在个把月时间内就会出现肉眼可见的“磨蚀”，其密封性能也会因此大幅衰减，到了这个阶段点胶机也就离漏胶不远了！
(Simulation studies on drilling mud pump plunger seal failure under ultrahigh pressure and ultradeep conditions_Yi Zhou)
不过看到这里相信细心的小伙伴又会产生新的疑问了——
既然密封圈磨蚀是点胶机频繁“漏胶”的主要原因，那么Graco的Elite供料泵为什么又能在没有更换密封件的情况下，实现了连续运行12个月而不漏胶的呢？
都说看病不能头痛医头脚痛医脚，原来为了有效解决这个问题，Graco从系统层面开发出了一套“结构性”的解决方案！
“结构性”的解决方案
其实Graco的思路非常简单——
既然密封件的应力集中是一切问题的开端，那么只要通过对系统组件进行“结构性”的调整让应力尽可能均匀分散，设备的故障周期不也就能大幅延长了吗！
巧的是同样的思路也出现在了“泥浆泵”的论文里，他们的研究人员设计了几款不同结构的密封圈，然后通过FEA仿真观察应力在它们内部的分布情况。
结果发现，原来“应力集中”这个问题通过调整密封圈结构这一个操作就能得到显著改善——
比如当密封圈的内壁高度设计成30mm或20mm时，其内部都出现了明显的应力集中区域；
但是当这个参数变成10mm，在同样的泵送压力下密封圈内的应力就奇迹般地均匀分散开了！
不过这个方法显然也有很大的副作用，最明显的就是随着应力的均匀分散，密封件与缸体之间的“接触应力”也跟着变弱了！👇
这意味着即便密封件没有发生塑性形变，其密封性也不会好到哪里去。最终的效果依然是导热填料很容易就“钻进”密封圈与缸体之间的缝隙，然后造成比较严重的磨蚀……
如此看来，通过结构优化解决磨蚀问题虽然可行，但如何将其变成现实的产品却是一个很复杂的课题！
好在现在Graco拿出了解决方案，经过潜心研发他们成功开发出了有效对抗导热胶磨蚀性的全新系列产品——Elite耐磨蚀结构点胶泵！
Elite™耐磨蚀结构点胶泵
Graco这次不仅创新性地直接采用“耐磨蚀材料”来打造泵体，更重要的一项举措是从密封结构层面提升系统的耐磨蚀性能。
（graco）
在大规模推向市场之前，Graco就选择了市面上比较主流的导热胶产品进行了长时间的连续点胶验证。
比如他们曾经从2021年10月5日到2022年2月15日期间，在美国实验室内使用Parker Lord公司导热填缝胶进行了不间断的连续点胶测试，用以验证Elite耐磨蚀结构设备的稳定性。
（graco）
这次测试选用的是CoolTherm SC-1200双组份导热填缝胶，其A、B组分都是中等粘度的70,000cps，基于其2.0W/m·K的导热率粗略估算胶体内导热填料的体积百分比应该超过60%，属于强磨蚀性的“泥沙俱下”类型。
Lord SC-1200导热凝胶参数（graco）
针对这款导热胶的特点，Graco搭配了Elite耐磨结构check-mate送料泵、EFR(电动固定比率)Z 泵、以及MD2点胶阀。
具体是将EFR设置为循环模式，将点出来的导热胶输送回桶的底部，以在测试这套点胶系统能否在点胶1,000,000次之后依然不发生漏胶等故障。
这个测试从21年10月5日开始一直持续到了次年的3月份，历时整整5个月。在此期间系统完成了超过122万次点胶行为，累计点胶200,000升。
2021.10.05-2022.02.15 Elite耐磨系列点胶测试（graco）
同样的测试在国内则直接搬到了C、S两家客户的生产线上——
自2023年春季到现在，在C客户处的Elite供料系统持续稳定工作了17个月，累计点胶80,000升；
而S客户也已经在自家产线使用这套设备超过15个月，尚未发现需要更换密封件的迹象！
（graco）
此时拆开设备可以发现，虽然柱塞杆在经历了导热胶百万次的摩擦后已经产生划痕但依然足以胜任点胶任务；
Elite耐磨系列的柱塞杆（graco）
更为重要的是，套在柱塞上的密封件也保持了非常完整的形态。这缘于Elite特有的耐磨结构让作用于密封件的应力均匀分布，进而令密封件的塑性形变大为延后，最终保证了长达十数月的连续无故障点胶！
Elite系列密封件，涉及商业机密不便展示细节（graco）
不过遗憾的是，由于涉及产品设计等诸多方面的商业机密，很多非常有价值的数据和信息Graco并没有向我们做更多披露。
那么不如点击下方链接，或者通过「AI胶我选」的社交功能与Graco的技术专家们建立联系，就这款“耐磨结构”的点胶机究竟如何硬控住了“泥沙俱下”的导热胶，与Graco的专业人士们展开更为深入的沟通与交流吧！
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