PA和PBT，能用在新能源汽車高壓系統(tǒng)上嗎?

來源：線束世界?作者：線束世界-Jimmy?2022-07-26 10:21

PA6、PA66和PBT的化合物已經(jīng)在電子電氣行業(yè)有著幾十年的應(yīng)用歷史，包括連接器、殼體、斷路器、接線端子等等。

而最近，這兩種材料都正在面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。

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▲ 高壓連接器圖源：朗盛

來自電動汽車日益嚴峻的要求&挑戰(zhàn)

電動汽車和充電樁等領(lǐng)域的部件通常暴露在高溫、強電流和高壓環(huán)境下。在這種情況下，還要保持良好的絕緣性能，且避免漏電起痕。

除了電動汽車之外，傳統(tǒng)的3C電子和家電領(lǐng)域，這些要求還有逐漸走高的趨勢，尤其是小型化、薄壁化。

而這也會導致部件需要承受更大的熱負荷，且漏電或電擊穿產(chǎn)生缺陷的風險也會增加。

基于這些全新的需求，朗盛針對Durethan?（包括PA6和PA66）和Pocan? PBT產(chǎn)品系列，對體積電阻率和介電強度等電氣特性，與溫度、含水量和壁厚的相關(guān)性進行了研究。

與此同時，增強復材、阻燃性能、耐電痕性等相關(guān)因素也被考慮在內(nèi)，研究人員還正在嘗試找出哪些材料達到了最高絕緣等級（CTI 600）。

朗盛方面還正在探索電動汽車高壓系統(tǒng)（600V以上工況）部件的設(shè)計，以滿足能夠承受漏電起痕電流。

以下是具體的測試及結(jié)果分析：

溫度對體積電阻率的影響

根據(jù)IEC 62631-3-1標準，體積電阻率測試在厚度為1mm的新制試樣上進行。

測試表明，材料的體積電阻率隨著溫度的升高而降低，但是這種變化對于PBT來說并不明顯——

▲ GF增強PA6和PBT的體積電阻率與溫度的相關(guān)性：在較高溫度條件下，PBT體積電阻率的下降幅度小于PA（來源：朗盛；圖：? Hanser）

非阻燃級材料和無鹵阻燃材料之間，溫度的變化對導電性能的影響并不顯著。即使在140°C的絕對干燥狀態(tài)下，PA6和PA66體積電阻率仍能達到10^8Ωcm。

因此，它們能夠滿足在該溫度范圍內(nèi)，用于高壓系統(tǒng)材料的標準要求。PBT的體積電阻率在相同的溫度條件下明顯更高。

PA高吸濕性的影響

含水量高，意味著導電能力越強，體積電阻率越低。而PA材料天生就有更高的吸濕性。

測試表明，無論是阻燃還是非阻燃等級，或GF增強和未填充材料之間，性能基本相似。

它們的體積電阻率在室溫條件下均顯著降低（見下圖）。但這對絕大多數(shù)的應(yīng)用場景來說“無傷大雅”，且電阻值在下降后很快趨于平穩(wěn)。

而在較高的溫度條件下，電阻率相對而言下降得不太明顯，但總體而言這些數(shù)值都處于較低水平。

▲ 體積電阻率與含水量的相關(guān)性：以Durethan BKV30H3.0 PA6-GF30增強為例，水分含量越高，電阻率越低。吸濕后的體積電阻率在室溫條件下比高溫條件下降得更快（來源：朗盛；圖：? Hanser）

因此，體積電阻率可能會降至10^8Ωcm以下，這也是適用于高壓應(yīng)用的最小體積電阻率。在這種情況下，該材料將不再具有足夠的絕緣效果。

但值得注意的是，理論上高溫工況下會造成吸濕材料的二次干燥。不過這種情況很少發(fā)生，且只會在極端情況才有可能。

與PA6相比，PA66的比體積電阻率隨水分含量增加而降低的幅度更小——在23°C時大約下降10^1。

更小部件

更高電氣強度

材料的電氣強度Ed（kV/mm）也根據(jù)IEC 60243-1標準，在新制試樣上進行了研究。

電氣強度有助于在給定電壓條件下在避免電擊穿的同時，確定部件帶電元件之間的最小距離。

例如高電氣強度材料可以盡量縮減高壓連接器的空間，實現(xiàn)輕量化或集成化。

測量結(jié)果表明，試樣厚度為1mm的PA6、PA66和PBT的電氣強度，在不同溫度下具有完全不同的表現(xiàn)。

PBT的電氣強度在高達140°C的高溫下基本保持不變；PA的電氣強度會隨著溫度升高，顯著降低——

▲ GF增強的PA6和PBT的電氣強度與溫度的相關(guān)性：PBT的電氣強度在整個溫度范圍內(nèi)基本沒有變化，但是PA的電氣強度在溫度達80°C左右時顯著降低（來源：朗盛；圖：? Hanser）

話說回來，絕對干燥狀態(tài)下的PA6和PA66的電氣強度，僅在溫度達120°C以上時，才會降到10kV/mm以下。因此也滿足了典型工況下的高壓應(yīng)用的最低要求。

測量結(jié)果還表明，與體積電阻率相比，材料的電氣強度很大程度上取決于壁厚。試樣越厚，電氣強度越低。

▲ 室溫條件下PA6-GF30（Durethan BKV30H3.0）的電氣強度與試樣厚度的相關(guān)性：電氣強度隨著試樣厚度的增加而急劇下降。這主要是因為壁厚更小散熱更好（來源：朗盛；圖：? Hanser）

這主要是因為壁厚越小，散熱就越好，因此能夠防止過早的電擊穿。這也是常見塑料的主要特點之一，對部件小型化起到關(guān)鍵作用。

高耐電痕性變得越來越重要

耐電痕性越高，短路的風險越低。

在印刷電路板的生產(chǎn)過程中，CTI發(fā)揮著尤為重要的作用，因為小型化的趨勢，引腳之間的距離正在變得越來越小，因此耐電痕載體材料成為關(guān)鍵。

此外高CTI值的材料，在需要高浪涌電壓保護的應(yīng)用中也必不可少，比如電動汽車。

一般來說，無鹵阻燃和非阻燃PA6、PA66和PBT的CTI值，均高于鹵素阻燃的材料。非增強級材料通常會比增強級材料擁有更高的CTI值。

▲ PA6、PA66和PBT化合物的典型CTI值（來源：朗盛）

值得一提的是：PA化合物的吸濕性，不會對CTI值或耐電痕性產(chǎn)生顯著影響，且在120°C標準氣壓下老化后，材料的CTI值也基本沒有變化。

因此，即使在老化后，PA材料也能保持可靠的耐電痕性。

600V以上的CTI測量有沒有意義？

電動汽車不斷的高壓化帶來了一個問題——塑料的CTI值，有必要在600V以上時測量嗎？

答案是幾乎沒有必要。

因為CTI的測定是將樣件放置在兩個帶電電極之間，在樣件上滴下標準電解液來確定CTI值。

然而在600V以上的高壓下，電解液往往會直接被高壓產(chǎn)生的高溫蒸發(fā)，影響測量結(jié)果；此外，在超過600V的電壓條件下，樣品表面可能會產(chǎn)生空氣放電，而這也會影響測量結(jié)果。

高壓部件設(shè)計指南

CTI測試本質(zhì)上是一種在標準條件下，對材料進行直接比較的方法，不能直接將其和工作電壓直接關(guān)聯(lián)，比如CTI值為600的材料，也不等同于材料無法應(yīng)用于600V以上。

IEC 60664/VDE 0110–1標準在這方面提供了指導。它制定了可用于轉(zhuǎn)換CTI測試結(jié)果并優(yōu)化高壓部件設(shè)計的設(shè)計指南。

該標準適用于頻率高達30kHz時標稱電壓高達1000V(交流電)和1500V(直流電)的部件。

針對在800V標稱電壓環(huán)境下使用的高壓連接器，如果采用CTI值為600的材料，那么設(shè)計指南和流程圖將得出部件在2級污染條件下的最小爬電距離為4mm。

結(jié)論

由于電氣特性與溫度和濕度的相關(guān)性，PA6和PA66的使用溫度可高達120°C，而PBT可在高達150°C的溫度條件下保持其電氣特性。

如果應(yīng)用需要高耐電痕性，則可使用CTI值為600的化合物，兩種熱塑性材料皆可。它們同樣適用于電壓高于600V的應(yīng)用。即使在120°C的溫度條件下長期老化，這種材料的耐電痕性也基本沒有下降。

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