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帝斯曼為電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)帶來(lái)更耐老化的材料選擇

2019-01-18 19:50:19·  來(lái)源：帝斯曼中國(guó)  
　
隨著汽車電動(dòng)化飛速發(fā)展，整車企業(yè)和TMS組件商都面臨復(fù)雜的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和越發(fā)苛刻的技術(shù)要求，汽車熱管理系統(tǒng)（TMS）的材料選型也隨之迎來(lái)變革。新能源，新需求帝斯
隨著汽車電動(dòng)化飛速發(fā)展，整車企業(yè)和TMS組件商都面臨復(fù)雜的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和越發(fā)苛刻的技術(shù)要求，汽車熱管理系統(tǒng)（TMS）的材料選型也隨之迎來(lái)變革。
 
新能源，新需求
 
帝斯曼向汽車行業(yè)正式推出商用化的工程塑料產(chǎn)品Xytron® (PPS) G4080HR，提供更出色的長(zhǎng)期性能，滿足最極限工況的耐老化測(cè)試，為汽車企業(yè)帶來(lái)更合理的TMS材料選擇，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行工況，延長(zhǎng)部件壽命，降低能源消耗，以及縮短設(shè)計(jì)換代周期、提高部件通用性和降低綜合成本等綜合目標(biāo)。
 
問(wèn)
汽車電動(dòng)化對(duì)TMS材料有何挑戰(zhàn)？
 
答
汽車熱管理系統(tǒng)（TMS），即管理諸如如發(fā)動(dòng)機(jī)等汽車部件溫度的系統(tǒng)，每個(gè)部件都有最佳工況對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間，TMS以溫度控制優(yōu)化運(yùn)行工況，以延長(zhǎng)部件壽命，降低能耗。汽車電動(dòng)化正在混動(dòng)汽車和純電汽車兩條技術(shù)路線上飛速發(fā)展，它們分別從耐受溫度和耐受時(shí)間兩個(gè)維度給TMS所涉及的工程塑料帶來(lái)完全不同的挑戰(zhàn)。
 
先來(lái)看純電汽車。純電汽車TMS的實(shí)際運(yùn)行溫度低于燃油汽車。但是真正挑戰(zhàn)TMS系統(tǒng)的是倍增的運(yùn)行時(shí)間！純電汽車的電池不能低于零度，在高緯度地區(qū)的冬季，停駛狀況下TMS系統(tǒng)仍需運(yùn)轉(zhuǎn)，給電池加溫，這就要求TMS所用材料的耐水乙二醇冷卻液老化（下文簡(jiǎn)稱耐老化）時(shí)間倍增！燃油汽車的TMS耐老化數(shù)據(jù)要求為1000到3000小時(shí)，純電汽車則正在關(guān)注6000到10000小時(shí)！在如此長(zhǎng)的老化時(shí)間后，很多材料性能會(huì)大幅下降！
 
再來(lái)看混動(dòng)汽車。混動(dòng)汽車裝載油電兩套系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)和新增的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控系統(tǒng)整合為混動(dòng)引擎，布局更加緊湊，散熱困難，局部溫度更高，要求TMS運(yùn)行在更高溫度和壓力。整車廠正在關(guān)注135℃，甚至150℃的耐老化數(shù)據(jù)，這對(duì)工程塑料熱老化后的性能提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
 
問(wèn)
各類工程塑料應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的能力如何？
答
 
現(xiàn)在讓我們比較一下現(xiàn)行的各種工程塑料對(duì)熱老化溫度和時(shí)間的耐受性能。
左圖對(duì)比了TMS用主流工程塑料材質(zhì)：聚苯硫醚PPS、高溫尼龍PPA、長(zhǎng)鏈尼龍LCPA和尼龍雙六PA66。
 
我們從兩個(gè)角度解讀選材，沿紫線方向，熱老化溫度越高，能耐受的材料越少，超過(guò)130℃的熱老化溫度，PPS和PPA的穩(wěn)定性凸顯出來(lái)。沿黃線方向，熱老化時(shí)間越長(zhǎng)，材料選擇越少。高溫和長(zhǎng)時(shí)間耐老化后機(jī)械性能衰減最少的材料是PPS，其次是PPA，LCPA和PA66。
 
問(wèn)題來(lái)了，為什么各種不同材料的耐老化性能有這么大差別呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，取決于材料樹脂的抗水解能力。TMS的整個(gè)系統(tǒng)基于冷卻液水乙二醇運(yùn)行，在高溫下，水對(duì)很多材料具有較強(qiáng)攻擊性，稱為水解反應(yīng)。抗水解越強(qiáng)的材料，抵抗力越強(qiáng)。PPA、LCPA和PA66都屬于尼龍家族，尼龍酰胺鍵的抗水解能力不夠，PPA在尼龍家族中抗水解能力最好，通過(guò)耐水解改性，這一性能還會(huì)有一定提升。PPS與生俱來(lái)的分子結(jié)構(gòu)和尼龍不同，硫醚鍵加苯環(huán)的分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又穩(wěn)定，甚至可以耐受大家熟知的濃硫酸，所以更容易抵御水解反應(yīng)。電動(dòng)車要重視復(fù)雜工況下的長(zhǎng)期性能，在TMS的關(guān)鍵組件中推薦選擇PPS和PPA。
 
問(wèn)
PPS既然耐受性能這么好，為什么還會(huì)老化呢？
答
 
TMS所用工程塑料都是由樹脂和玻纖共混而成的，材質(zhì)耐老化性能的另一個(gè)弱點(diǎn)，就在于玻纖和樹脂的結(jié)合面受水的影響會(huì)分離開裂。更好的PPS玻纖結(jié)合面，決定各種不同PPS材質(zhì)之間老化性能的差異，DSM的技術(shù)已經(jīng)可以使玻纖和PPS直接結(jié)合的非常緊密，PPS的老化速度會(huì)明顯降低。
 
135℃水乙二醇熱老化前后玻纖和PPS樹脂結(jié)合面的變化 – 原子力顯微鏡
DSM 40%GF PPS G4080HR
Competition 40%GF PPS
0小時(shí)
3000小時(shí)
同樣都是40%玻纖增強(qiáng)的PPS材料，結(jié)合面處老化后的差別明顯。我們用原子力顯微鏡來(lái)直觀的呈現(xiàn)出微觀層面的差異。每張照片白色區(qū)域代表玻纖，黃色區(qū)域代表PPS樹脂，黑色的區(qū)域代表結(jié)合面縫隙的寬度，老化前兩種材料的玻纖和樹脂結(jié)合面幾乎看不到黑色，代表光滑無(wú)縫，隨時(shí)間的推移，競(jìng)品（第二行）的結(jié)合面處黑色區(qū)域越來(lái)越寬，代表結(jié)合面出現(xiàn)深邃的裂縫，而DSM G4080HR產(chǎn)品的結(jié)合面在3000小時(shí)135℃的熱老化后僅處出現(xiàn)了一條細(xì)痕，代表樹脂和玻纖的結(jié)合仍然非常緊密。微觀的裂隙分布在部件的表面和內(nèi)部，隨著老化時(shí)間或激烈駕駛狀況疊加延展，終將造成部件開裂甚至損壞，包括大家所熟知的漏液。
 
問(wèn)
帝斯曼Xytron® G4080HR耐老化性能有什么優(yōu)勢(shì)？
答
 
基于結(jié)合面技術(shù)的創(chuàng)新，DSM向汽車行業(yè)正式推出商用化的Xytron® PPS產(chǎn)品G4080HR，該規(guī)格的超耐水解性能，應(yīng)對(duì)TMS變革帶給材料的挑戰(zhàn)，提供了長(zhǎng)期性能的保障。
 
下圖為G4080HR的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)競(jìng)品同類產(chǎn)品的性能對(duì)比。經(jīng)過(guò)3000小時(shí)在135℃水乙二醇中的老化，G4080HR的拉伸強(qiáng)度下降僅21%，競(jìng)品下降達(dá)61%，老化后的強(qiáng)度性能比競(jìng)品高114%；G4080HR的斷裂伸長(zhǎng)率下降僅29%，競(jìng)品下降達(dá)49%，老化后的實(shí)際斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)競(jìng)品63%。
TMS部件在注塑加工成型中不可避免的產(chǎn)生熔接痕，這是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也可以說(shuō)，結(jié)合線強(qiáng)度的高低，決定了整個(gè)部件的強(qiáng)度，也決定了產(chǎn)品所需要的厚度。借助DSM的結(jié)合面技術(shù)，G4080HR熔接痕部位的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率也大幅度提高。
下圖為用專門制備的帶熔接線樣條測(cè)試的耐老化性能對(duì)比：溫度在135℃老化1000hrs后，熔接線處的拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)值保持在75MPa，比競(jìng)品高85%，斷裂延伸率仍然有0.6%，比競(jìng)品高50%，這些數(shù)據(jù)表明該材料結(jié)合線位置的力學(xué)性能也能經(jīng)受苛刻的老化測(cè)試。
新一代電動(dòng)車為提高冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性，也在考慮冷卻液的升級(jí)換代，不同冷卻液對(duì)材料的耐冷卻液老化性能是影響材料選擇的第三個(gè)維度。選擇能耐受硫酸強(qiáng)腐蝕的PPS, 特別是Xytron® G4080HR，無(wú)疑將冷卻液變更這一因素帶來(lái)的設(shè)計(jì)變更降低到最小。
 
帝斯曼Xytron® G4080HR對(duì)TMS材料變革的意義
 
Xytron® G4080HR產(chǎn)品的推出，對(duì)TMS部件的設(shè)計(jì)靈活性、薄壁化、輕量化等提供了便利，同時(shí)由于其更加出色的耐老化穩(wěn)定性和熔接線強(qiáng)度保持率，使得最終部件的長(zhǎng)期性能可預(yù)測(cè)性更容易，更給TMS組件通過(guò)降低壁厚以節(jié)省成本帶來(lái)可能。DSM已經(jīng)積累了該產(chǎn)品相對(duì)普通產(chǎn)品在不同溫度、時(shí)間和介質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括德國(guó)第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的權(quán)威數(shù)據(jù)，用以幫助客戶有效預(yù)測(cè)部件的長(zhǎng)期性能和使用壽命。
 
汽車電動(dòng)化推動(dòng)了熱管理系統(tǒng)升級(jí)，Xytron® G4080HR為整車企業(yè)和TMS組件商帶來(lái)更穩(wěn)妥的材料解決方案，為降低車型升級(jí)換代設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、加速產(chǎn)品開發(fā)帶來(lái)便利，也有助于整車廠將可靠的TMS部件廣泛應(yīng)用于各類車型。 
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