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PA和PBT，能用在新能源汽车高压系统上吗?

来源：线束世界•作者：线束世界-Jimmy•2022-07-26 10:21

PA6、PA66和PBT的化合物已经在电子电气行业有着几十年的应用历史，包括连接器、壳体、断路器、接线端子等等。

而最近，这两种材料都正在面临更严峻的挑战。

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▲ 高压连接器图源：朗盛

01

来自电动汽车日益严峻的要求&挑战

电动汽车和充电桩等领域的部件通常暴露在高温、强电流和高压环境下。在这种情况下，还要保持良好的绝缘性能，且避免漏电起痕。

除了电动汽车之外，传统的3C电子和家电领域，这些要求还有逐渐走高的趋势，尤其是小型化、薄壁化。

而这也会导致部件需要承受更大的热负荷，且漏电或电击穿产生缺陷的风险也会增加。

基于这些全新的需求，朗盛针对Durethan®（包括PA6和PA66）和Pocan® PBT产品系列，对体积电阻率和介电强度等电气特性，与温度、含水量和壁厚的相关性进行了研究。

与此同时，增强复材、阻燃性能、耐电痕性等相关因素也被考虑在内，研究人员还正在尝试找出哪些材料达到了最高绝缘等级（CTI 600）。

朗盛方面还正在探索电动汽车高压系统（600V以上工况）部件的设计，以满足能够承受漏电起痕电流。

以下是具体的测试及结果分析：

02

温度对体积电阻率的影响

根据IEC 62631-3-1标准，体积电阻率测试在厚度为1mm的新制试样上进行。

测试表明，材料的体积电阻率随着温度的升高而降低，但是这种变化对于PBT来说并不明显——

▲ GF增强PA6和PBT的体积电阻率与温度的相关性：在较高温度条件下，PBT体积电阻率的下降幅度小于PA（来源：朗盛；图：© Hanser）

非阻燃级材料和无卤阻燃材料之间，温度的变化对导电性能的影响并不显著。即使在140°C的绝对干燥状态下，PA6和PA66体积电阻率仍能达到10^8Ωcm。

因此，它们能够满足在该温度范围内，用于高压系统材料的标准要求。PBT的体积电阻率在相同的温度条件下明显更高。

03

PA高吸湿性的影响

含水量高，意味着导电能力越强，体积电阻率越低。而PA材料天生就有更高的吸湿性。

测试表明，无论是阻燃还是非阻燃等级，或GF增强和未填充材料之间，性能基本相似。

它们的体积电阻率在室温条件下均显著降低（见下图）。但这对绝大多数的应用场景来说“无伤大雅”，且电阻值在下降后很快趋于平稳。

而在较高的温度条件下，电阻率相对而言下降得不太明显，但总体而言这些数值都处于较低水平。

▲ 体积电阻率与含水量的相关性：以Durethan BKV30H3.0 PA6-GF30增强为例，水分含量越高，电阻率越低。吸湿后的体积电阻率在室温条件下比高温条件下降得更快（来源：朗盛；图：© Hanser）

因此，体积电阻率可能会降至10^8Ωcm以下，这也是适用于高压应用的最小体积电阻率。在这种情况下，该材料将不再具有足够的绝缘效果。

但值得注意的是，理论上高温工况下会造成吸湿材料的二次干燥。不过这种情况很少发生，且只会在极端情况才有可能。

与PA6相比，PA66的比体积电阻率随水分含量增加而降低的幅度更小——在23°C时大约下降10^1。

04

更小部件

更高电气强度

材料的电气强度Ed（kV/mm）也根据IEC 60243-1标准，在新制试样上进行了研究。

电气强度有助于在给定电压条件下在避免电击穿的同时，确定部件带电元件之间的最小距离。

例如高电气强度材料可以尽量缩减高压连接器的空间，实现轻量化或集成化。

测量结果表明，试样厚度为1mm的PA6、PA66和PBT的电气强度，在不同温度下具有完全不同的表现。

PBT的电气强度在高达140°C的高温下基本保持不变；PA的电气强度会随着温度升高，显著降低——

▲ GF增强的PA6和PBT的电气强度与温度的相关性：PBT的电气强度在整个温度范围内基本没有变化，但是PA的电气强度在温度达80°C左右时显著降低（来源：朗盛；图：© Hanser）

话说回来，绝对干燥状态下的PA6和PA66的电气强度，仅在温度达120°C以上时，才会降到10kV/mm以下。因此也满足了典型工况下的高压应用的最低要求。

测量结果还表明，与体积电阻率相比，材料的电气强度很大程度上取决于壁厚。试样越厚，电气强度越低。

▲ 室温条件下PA6-GF30（Durethan BKV30H3.0）的电气强度与试样厚度的相关性：电气强度随着试样厚度的增加而急剧下降。这主要是因为壁厚更小散热更好（来源：朗盛；图：© Hanser）

这主要是因为壁厚越小，散热就越好，因此能够防止过早的电击穿。这也是常见塑料的主要特点之一，对部件小型化起到关键作用。

05

高耐电痕性变得越来越重要

耐电痕性越高，短路的风险越低。

在印刷电路板的生产过程中，CTI发挥着尤为重要的作用，因为小型化的趋势，引脚之间的距离正在变得越来越小，因此耐电痕载体材料成为关键。

此外高CTI值的材料，在需要高浪涌电压保护的应用中也必不可少，比如电动汽车。

一般来说，无卤阻燃和非阻燃PA6、PA66和PBT的CTI值，均高于卤素阻燃的材料。非增强级材料通常会比增强级材料拥有更高的CTI值。

▲ PA6、PA66和PBT化合物的典型CTI值（来源：朗盛）

值得一提的是：PA化合物的吸湿性，不会对CTI值或耐电痕性产生显著影响，且在120°C标准气压下老化后，材料的CTI值也基本没有变化。

因此，即使在老化后，PA材料也能保持可靠的耐电痕性。

06

600V以上的CTI测量有没有意义？

电动汽车不断的高压化带来了一个问题——塑料的CTI值，有必要在600V以上时测量吗？

答案是几乎没有必要。

因为CTI的测定是将样件放置在两个带电电极之间，在样件上滴下标准电解液来确定CTI值。

然而在600V以上的高压下，电解液往往会直接被高压产生的高温蒸发，影响测量结果；此外，在超过600V的电压条件下，样品表面可能会产生空气放电，而这也会影响测量结果。

07

高压部件设计指南

CTI测试本质上是一种在标准条件下，对材料进行直接比较的方法，不能直接将其和工作电压直接关联，比如CTI值为600的材料，也不等同于材料无法应用于600V以上。

IEC 60664/VDE 0110–1标准在这方面提供了指导。它制定了可用于转换CTI测试结果并优化高压部件设计的设计指南。

该标准适用于频率高达30kHz时标称电压高达1000V(交流电)和1500V(直流电)的部件。

针对在800V标称电压环境下使用的高压连接器，如果采用CTI值为600的材料，那么设计指南和流程图将得出部件在2级污染条件下的最小爬电距离为4mm。

08

结论

由于电气特性与温度和湿度的相关性，PA6和PA66的使用温度可高达120°C，而PBT可在高达150°C的温度条件下保持其电气特性。

如果应用需要高耐电痕性，则可使用CTI值为600的化合物，两种热塑性材料皆可。它们同样适用于电压高于600V的应用。即使在120°C的温度条件下长期老化，这种材料的耐电痕性也基本没有下降。

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