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适合汽车高电压环境的树脂材料 --PA66与PBT的电学特性的比较--


适合汽车高电压环境的树脂材料
--PA66与PBT的电学特性的比较--



1. 前言

当今、汽车的周边环境正在发生巨大的变化、人们对汽车的要求也在不断变化。以前基于设计、油耗、配件等来选择汽车、而今后可预测CASE(Connected、Autonomous、Shared & Service、Electric)将会成为重要的关键词。特别是受到各国去化石燃料、强化排放限制等的影响、电动化的发展将得到进一步加速。

树脂材料有助于降低汽车的重量、而且具有绝缘性、所以随着电动化的发展、其在汽车零部件的使用量很可能会不断增加。在汽车所需的环境温度-40℃~140℃的范围内、PA66(聚酰胺66)和PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)材料具备一定的机械特性和耐化学性、获得了广泛的应用。两种材料各有特点、但由于供给稳定性等原因、最近采用PBT的案例正在增加。

本次、我们比较了两者在高电压零部件中的电学特性、并对其适用性进行了探讨。



2. 关于高电压零部件

电动车(包括HEV、PHEV)的主要零部件大致分为电池、PCU(动力控制单元)、马达、发电机、分别具有蓄电、控制、驱动、再生的功能。这些零部件通过高压线束进行电学连接、各个零部件之间会有300V~600V左右的电流。而且、其绝缘部分会使用树脂材料。该零部件所使用的材料需要同时具备在高电压环境下使用也不会出问题的电学特性、以及传统汽车零部件所要求的机械特性、尺寸精度、耐热性和耐化学性等。



3. 关于适合高电压零部件的树脂材料

我们对高压连接器和端子排等零部件通常使用的PBT-GF30%和PA66-GF33%进行了评估。以下是比较对象的材料。

 

(评估材料)

 • DURANEX® PBT CG7030 (PBT-GF30%) / 适用于高电压用途、例如高压连接器等

 • DURANEX® PBT 531HS (PBT-GF30%) / 适用于包含金属嵌件的产品、例如母排等

 • DURANEX® PBT 330HR (PBT-GF30%) / 适用于一般零部件

 • PA66-GF33% / 适用于一般注射成型



■ 机械特性

图1显示了各材料拉伸强度的温度依赖性、图2显示了在湿热环境下、拉伸强度的变化。另外、拉伸试验基于ISO527-1,2标准、湿热处理后的数据为在85℃×85%RH湿热环境下的高温高湿槽中放置相应时间后的测量结果。

关于在绝对干燥状态下拉伸强度的温度依赖性(图1)、在所有温度区域中、PA66-GF33%都比PBT-GF30%的各品级显示出了更高的数值。而在湿热环境下处理后、PA66-GF33%会由于吸湿导致强度降低、降至与PBT各品级大致相同的强度。考虑到车辆的实际使用环境(有湿度)、可判断两者的差别不大。


图1 : 拉伸强度的温度依赖性(绝对干燥) 图2 : 湿热处理后的拉伸强度

■ 尺寸精度

在众多零部件的集合体――汽车当中、量产时保证零部件的尺寸公差不出现波动是非常重要的。有些类型的树脂材料会由于吸水导致尺寸大幅变化、可能会影响零部件使用时的尺寸。

图3显示了各材料的吸水率、图4显示了流动直角(TD)方向的尺寸变化率。评估的试验片为多功能哑铃状试验片、在85℃、85%RH的环境下放置规定的时间后进行了测量。
如图3、图4所示、PA66-GF33%的吸水率从初期就开始变大、结果尺寸变化也较大。而各PBT品级的吸水率和尺寸变化率都只有PA66-GF33%的1/10左右、可见在尺寸方面非常出色。



图3 : 湿热处理后的吸水率 图4 : 湿热处理后的尺寸变化率(TD方向)

■ 绝缘击穿特性

击穿强度是对高电压下使用的材料特有的特性要求。树脂材料由于具有绝缘性、通常即使负载一定的电压也不会导电。但是如果施加的电压超过了材料的击穿强度、则会引起绝缘击穿而导电。本次、我们对湿热处理前(未处理)和湿热处理后(85℃×85%RH×1,000hr后)各样品的击穿强度进行了评估。结果如图5所示。

未处理时、各PBT品级和PA66-GF33%的击穿强度差异不大。而实施湿热处理后、只有PA66-GF33%大幅降低了约40%。如上所述、由于PA66的吸水率较高、很可能是由于吸水导致了击穿强度的下降。



图5 : 湿热处理后的击穿强度

■ 体积电阻率

体积电阻率是树脂材料绝缘性的指标之一、一般树脂材料的数值在1015 Ω • cm左右。

图6显示了未处理和湿热处理后(85℃×85%RH×1,000hr后)体积电阻率的测量结果。未处理时、PA66-GF33%和PBT(CG7030)均表现出超过1015 Ω • cm的体积电阻率、但是在湿热状态下、PA66-GF33%的体积电阻率会大幅降低。



※ 拔白条部分表示推测值
图6 : 湿热处理后的体积电阻率

■ 耐漏电起痕性

漏电起痕现象是由于绝缘材料的表面碳化、形成导电路径、出现导通击穿的现象。耐漏电起痕性(CTI)是表示漏电起痕发生难度的指标、关于CTI、我们也同样对PA66-GF33%和PBT进行了比较。结果如图7所示。

耐漏电起痕性的测量上限是600V。未处理时、PA66-GF33%和PBT(CG7030)均显示为600V。湿热处理后、PBT(CG7030)的CTI略有降低。PA66不降低是由于其分子结构很难发生漏电起痕击穿。虽然PBT(CG7030)在湿热环境下CTI有少许降低、但是预计该特性可以通过保持沿面距离来弥补。



※ 拔白条部分表示推测值
图7 : 湿热处理后的耐漏电起痕性


4. 总结

综上所述、考虑到汽车零部件一般都要求在湿热环境下工作的材料特性如表1所示。一般而言、树脂材料的绝缘性、如绝缘击穿和体积电阻率等特性、不容易通过设计弥补。因此、在湿热环境下特性变化较小的各类PBT材料、比PA66更适合在高压环境下使用。

这些结果表明、使用PBT可以减少电学特性由环境变化导致的波动。

在随着电动化的发展而出现的新零部件中、在某些使用环境下、PBT是值得考虑采用的材料之一。


表1 : 适用于高电压的树脂材料比较

项目

PBT

PA66

330HR

531HR

CG7030

GF30%
耐水解

GF30%
耐HS

GF30%
适用于高电压用途

GF33%

拉伸强度

+++

++

++

+++

尺寸变化

+++

+++

+++

+

绝缘击穿

(+++)

(+++)

+++ +
体积电阻率

(+++)

(+++)

+++ +
耐漏电起痕性

+

++

+++ +++

※性能标准 : +++(好)> +(差)

※()为推测值




【相关信息】

 • 应对汽车电动化的材料开发举措




 物性目录:

 本文所述 :
 ▼330HR  ▼531HS  ▼CG7030

 本文没述 :
 ▼457EV (阻燃 · 高耐导电径迹 · 非增强)
 ▼330NF (非卤素阻燃剂使用 · 高耐导电径迹 · GF30%增强)

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2020/02/28