適合汽車高電壓環境的PA66與PBT樹脂材料比較
1.前言
當今、汽車的周邊環境正在發生巨大的變化、人們對汽車的要求也在不斷變化。以前基于設計、油耗、配件等來選擇汽車、而今后可預測CASE(Connected、Autonomous、Shared & Service、Electric)將會成為重要的關鍵詞。特別是受到各國去化石燃料、強化排放限制等的影響、電動化的發展將得到進一步加速。
樹脂材料有助于降低汽車的重量、而且具有絕緣性、所以隨著電動化的發展、其在汽車零部件的使用量很可能會不斷增加。在汽車所需的環境溫度-40℃~140℃的范圍內、PA66(聚酰胺66)和PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)材料具備一定的機械特性和耐化學性、獲得了廣泛的應用。兩種材料各有特點、但由于供給穩定性等原因、最近采用PBT的案例正在增加。
本次、我們比較了兩者在高電壓零部件中的電學特性、并對其適用性進行了探討。
2.關于高電壓零部件
電動車(包括HEV、PHEV)的主要零部件大致分為電池、PCU(動力控制單元)、馬達、發電機、分別具有蓄電、控制、驅動、再生的功能。這些零部件通過高壓線束進行電學連接、各個零部件之間會有300V~600V左右的電流。而且、其絕緣部分會使用樹脂材料。該零部件所使用的材料需要同時具備在高電壓環境下使用也不會出問題的電學特性、以及傳統汽車零部件所要求的機械特性、尺寸精度、耐熱性和耐化學性等。
3.關于適合高電壓零部件的樹脂材料
我們對高壓連接器和端子排等零部件通常使用的PBT-GF30%和PA66-GF33%進行了評估。以下是比較對象的材料。
(評估材料)
• DURANEX® PBT CG7030 (PBT-GF30%)/適用于高電壓用途、例如高壓連接器等
• DURANEX® PBT 531HS (PBT-GF30%)/適用于包含金屬嵌件的產品、例如母排等
• DURANEX® PBT 330HR (PBT-GF30%)/適用于一般零部件
• PA66-GF33%/適用于一般注射成型
■ 機械特性
圖1顯示了各材料拉伸強度的溫度依賴性、圖2顯示了在濕熱環境下、拉伸強度的變化。另外、拉伸試驗基于ISO527-1,2標準、濕熱處理后的數據為在85℃×85%RH濕熱環境下的高溫高濕槽中放置相應時間后的測量結果。
關于在絕對干燥狀態下拉伸強度的溫度依賴性(圖1)、在所有溫度區域中、PA66-GF33%都比PBT-GF30%的各品級顯示出了更高的數值。而在濕熱環境下處理后、PA66-GF33%會由于吸濕導致強度降低、降至與PBT各品級大致相同的強度??紤]到車輛的實際使用環境(有濕度)、可判斷兩者的差別不大。
圖1 : 拉伸強度的溫度依賴性(絕對干燥)
圖2 : 濕熱處理后的拉伸強度
■ 尺寸精度
在眾多零部件的集合體――汽車當中、量產時保證零部件的尺寸公差不出現波動是非常重要的。有些類型的樹脂材料會由于吸水導致尺寸大幅變化、可能會影響零部件使用時的尺寸。
圖3顯示了各材料的吸水率、圖4顯示了流動直角(TD)方向的尺寸變化率。評估的試驗片為多功能啞鈴狀試驗片、在85℃、85%RH的環境下放置規定的時間后進行了測量。
如圖3、圖4所示、PA66-GF33%的吸水率從初期就開始變大、結果尺寸變化也較大。而各PBT品級的吸水率和尺寸變化率都只有PA66-GF33%的1/10左右、可見在尺寸方面非常出色。
圖3 : 濕熱處理后的吸水率
圖4 : 濕熱處理后的尺寸變化率(TD方向)
■ 絕緣擊穿特性
擊穿強度是對高電壓下使用的材料特有的特性要求。樹脂材料由于具有絕緣性、通常即使負載一定的電壓也不會導電。但是如果施加的電壓超過了材料的擊穿強度、則會引起絕緣擊穿而導電。本次、我們對濕熱處理前(未處理)和濕熱處理后(85℃×85%RH×1,000hr后)各樣品的擊穿強度進行了評估。結果如圖5所示。
未處理時、各PBT品級和PA66-GF33%的擊穿強度差異不大。而實施濕熱處理后、只有PA66-GF33%大幅降低了約40%。如上所述、由于PA66的吸水率較高、很可能是由于吸水導致了擊穿強度的下降。
圖5 : 濕熱處理后的擊穿強度
■ 體積電阻率
體積電阻率是樹脂材料絕緣性的指標之一、一般樹脂材料的數值在1015 Ω • cm左右。
圖6顯示了未處理和濕熱處理后(85℃×85%RH×1,000hr后)體積電阻率的測量結果。未處理時、PA66-GF33%和PBT(CG7030)均表現出超過1015 Ω • cm的體積電阻率、但是在濕熱狀態下、PA66-GF33%的體積電阻率會大幅降低。
圖6 : 濕熱處理后的體積電阻率
■ 耐漏電起痕性
漏電起痕現象是由于絕緣材料的表面碳化、形成導電路徑、出現導通擊穿的現象。耐漏電起痕性(CTI)是表示漏電起痕發生難度的指標、關于CTI、我們也同樣對PA66-GF33%和PBT進行了比較。結果如圖7所示。
耐漏電起痕性的測量上限是600V。未處理時、PA66-GF33%和PBT(CG7030)均顯示為600V。濕熱處理后、PBT(CG7030)的CTI略有降低。PA66不降低是由于其分子結構很難發生漏電起痕擊穿。雖然PBT(CG7030)在濕熱環境下CTI有少許降低、但是預計該特性可以通過保持沿面距離來彌補。
圖7 : 濕熱處理后的耐漏電起痕性
4.總結
綜上所述、考慮到汽車零部件一般都要求在濕熱環境下工作的材料特性如表1所示。一般而言、樹脂材料的絕緣性、如絕緣擊穿和體積電阻率等特性、不容易通過設計彌補。因此、在濕熱環境下特性變化較小的各類PBT材料、比PA66更適合在高壓環境下使用。
這些結果表明、使用PBT可以減少電學特性由環境變化導致的波動。
在隨著電動化的發展而出現的新零部件中、在某些使用環境下、PBT是值得考慮采用的材料之一。
表1:適用于高電壓的樹脂材料比較
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