迎接电动汽车热管理系统的材料变革——PPS如何应对挑战?

来源:荣格国际汽车设计及制造

发布时间:2019年4月15日下午 02:04:40

随着汽车电动化飞速发展,整车企业和 TMS 组件商都面临复杂的市场竞争和越发苛刻的技术要求,汽车热管理系统(TMS)的材料选型也随之迎来变革。 汽车电动化对 TMS 材料有何挑战?

随着汽车电动化飞速发展,整车企业和 TMS 组件商都面临复杂的市场竞争和越发苛刻的技术要求,汽车热管理系统(TMS)的材料选型也随之迎来变革。

汽车电动化对 TMS 材料有何挑战?

汽车热管理系统(TMS),即管理诸如发动机等汽车部件温度的系统,每个部件都有最佳工况对应的温度区间,TMS 以温度控制优化运行工况,以延长部件寿命,降低能耗。汽车电动化正在混动汽车和纯电汽车两条技术路线上飞速发展,它们分别从耐受温度和耐受时间两个维度给 TMS 所涉及的工程塑料带来完全不同的挑战。

先来看纯电汽车。纯电汽车 TMS 的实际运行温度低于燃油 汽车,但是真正挑战 TMS 系统的是倍增的运行时间。纯电汽车的电池不能低于零度,在高纬度地区的冬季,停驶状况下 TMS 系统仍需运转,给电池加温,这就要求 TMS 所用材料的耐水乙二醇冷却液老化时间倍增(下文简称“耐老化”)。燃油汽车的 TMS 耐老化数据要求为 1000 到 3000 小时,纯电汽车则正在关 注 6000 到 10,000 小时。在如此长的老化时间后,很多材料性能会大幅下降。

再来看混动汽车。混动汽车装载油电两套系统,将发动机 和新增的驱动电机、电控系统整合为混动引擎,布局更加紧凑, 散热困难,局部温度更高,要求 TMS 运行在更高温度和压力环境中。整车厂正在关注 135℃甚至 150℃的耐老化数据,这对工程塑料热老化后的性能提出更严峻的挑战。

各类工程塑料应对这些挑战的能力如何?

现在让我们比较一下现行的各种工程塑料对热老化温度和时间的耐受性能。图 1 对比了 TMS 用主流工程塑料材质:聚苯 硫醚 PPS、高温尼龙 PPA、长链尼龙 LCPA 和尼龙双六 PA66。

图1:PPS、PPA、LCPA和PA66对热老化温度和时间的耐受性能对比图

我们从两个角度解读选材,沿紫线方向,热老化温度越高, 能耐受的材料越少,超过 130℃ 的热老化温度,PPS 和 PPA 的 稳定性凸显出来。沿黄线方向,热老化时间越长,材料选择越少。 高温和长时间热老化后机械性能衰减最少的材料是 PPS,其次是 PPA、LCPA 和 PA66。

问题来了,为什么各种不同材料的耐老化性能有这么大差别呢?简单说,取决于材料树脂的抗水解能力。TMS 的整个系统基于冷却液水乙二醇运行,在高温下,水对很多材料具有较强攻击性,称为水解反应。抗水解越强的材料,抵抗力越强。PPA、 LCPA 和 PA66 都属于尼龙家族,尼龙酰胺键的抗水解能力不够, PPA 在尼龙家族中抗水解能力最好,通过耐水解改性,这一性能还会有一定提升。PPS 与生俱来的分子结构和尼龙不同,硫醚键加苯环的分子结构简单又稳定,甚至可以耐受大家熟知的浓硫酸, 所以更容易抵御水解反应。电动车要重视复杂工况下的长期性能, 因此在 TMS 的关键组件材料中推荐选择 PPS 和 PPA。

PPS 耐受性能好,为何还会老化?

TMS 所用工程塑料都是由树脂和玻纤共混而成,材质耐老化性能的另一个弱点,就在于玻纤和树脂的结合面受水的影响会分离开裂。更好的 PPS 玻纤结合面,决定各种不同 PPS 材质之间老化性能的差异,DSM 的技术已经可以使玻纤和 PPS 直接结合得非常紧密,PPS 的老化速度会明显降低。

同样都是 40% 玻纤增强的 PPS 材料,结合面处老化后的差别明显。用原子力显微镜直观地呈现出微观层面的差异(图 2)。 每张照片白色区域代表玻纤,黄色区域代表 PPS 树脂,黑色区域代表结合面缝隙的宽度,老化前两种材料的玻纤和树脂结合面几乎看不到黑色,代表光滑无缝。随时间的推移,试样 2(这里取市面上另一品牌的产品为试样)的结合面处黑色区域越来越宽,代表结合面出现深邃的裂缝,而试样 1 的结合面在 3000 小 时 135℃的热老化后仅出现一条细痕,代表树脂和玻纤的结合仍然非常紧密。微观的裂隙分布在部件的表面和内部,随着老化时间或激烈驾驶状况叠加延展,终将造成部件开裂甚至损坏,包括大家所熟知的漏液。

图 2:135℃水乙二醇热老化前后玻纤和 PPS 树脂结合面的变化 – 原子力显微镜

帝斯曼推出 Xytron® G4080HR,优势何在?

基于结合面技术的创新,DSM 向汽车行业正式推出商用化的 Xytron® PPS 产品 G4080HR,该规格的超耐水解性能,应对 TMS 变革带给材料的挑战,提供了长期性能的保障。图 3 为 G4080HR 的抗拉伸强度和断裂伸长率相对对照品(市场某同类产品)的性能对比。经过 3000 小时在 135℃水乙二醇中的老化,G4080HR 的抗拉伸强度下降仅 21%,对照品下降达 61%,老化后的强度性能比对照品高 114%;G4080HR 的断裂伸长率下降 仅 29%,对照品下降达 49%,老化后的实际断裂伸长率超过对照品 63%。

图 3:G4080HR 的抗拉伸强度和断裂伸长率相对对照品的性能对比

TMS 部件在注塑加工成型中不可避免地产生熔接痕,这是整 体结构的薄弱环节,也可以说,结合线强度的高低,决定了整个部件的强度,也决定了产品所需要的厚度。借助 DSM 的结合面 技术,G4080HR 熔接痕部位的抗拉伸强度和断裂伸长率也大幅 度提高。图 4 为用专门制备的带熔接线样条测试的耐老化性能对比:温度在 135℃老化 1000hrs 后,熔接线处的抗拉伸强度实测值保持在 75MPa,比对照品高 85%,断裂伸长率仍然有 0.6%, 比对照品高 50%,这些数据表明该材料结合线位置的力学性能也能经受苛刻的老化测试。

图 4:带熔接线样条测试的耐老化性能对比

新一代电动车为提高冷却系统长期可靠性,也在考虑冷却液的升级换代,不同冷却液对材料的耐冷却液老化性能是影响材料选择的第三个维度。选择能耐受硫酸强腐蚀的 PPS, 特别是 Xytron® G4080HR,无疑将冷却液变更这一因素带来的设计变更降低到最小。

 

 

□ 来源:帝斯曼(DSM)

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