汽车电气化推动复合材料创新

尽管全球经济环境充满挑战，半导体芯片持续短缺，但电动汽车（EV）市场正在蓬勃发展，几乎没有放缓的迹象。根据最新一期的年度《全球电动汽车展望》（Global Electric Vehicle Outlook），到2021年底，全球道路上的电动汽车约有1650万辆，是2018年的三倍，而且还将持续增长。

聚合物化合物处于这场电动汽车革命的最前沿，预计其应用将有相当大的涨幅。与汽车生产中使用的传统材料相比，聚合物有许多优点。它们可以很容易地加工成复杂的形状，并提供长期的性能和效率收益，同时聚合物科学的不断进步进一步拓宽了应用范围。

Lanxess电子动力系统团队负责人Julian Haspel表示：“设计自由是一个很大的优势，它可以简化生产流程、降低成本。以高压电池的外壳为例。除了节省材料成本外，如果组件由塑料基材料制成，则卡扣钩或螺旋圆顶等功能可以直接集成到制造过程中。使用铝材料，还需要高成本的后续加工。”

在电动汽车的动力系统或电池中，以及在充电基础设施中，塑料部件经常暴露在高温、高电流和高电压下。它们必须能够抵抗在绝缘材料表面形成导电路径时产生的漏电电流，从而导致短路和可能的损坏。

朗盛Lanxess开发了一种新的PBT化合物，它是无卤阻燃和水解稳定的。朗盛Lanxess高性能材料业务部门的技术营销经理大客户Bernhard Helbich博士表示：“该结构材料的一个优点是，在高压连接器的典型工作条件下，其出色的电气性能几乎不依赖于温度和湿度。”

该化合物是该公司Pocan BFN HR系列的一部分，其特点是具有高水平的体积电阻和介电强度。在CTI测试（比较跟踪指数，IEC 60112）中，该材料达到了最高的CTI A 600额定值，可以在高于600V的电压下使用。新等级的材料由25%（重量）的玻璃纤维增强，对水解“非常稳定”。在基于SAE/USCAR2第6版长期水解规范的试验中，其达到了3级。在UL 94可燃性测试中，它达到了0.75mm的V-0等级。

Helbich说：“我们的材料和使用的着色剂在高温下保持永久的颜色稳定性，这样就不会失去识别作用。朗盛希望将这种热塑性塑料列入UL黄卡的‘所有颜色’中。这样一来，如果加工商自己给塑料上色，我们将把他们从耗时的UL认证过程中解救出来。他们可以简单地使用我们已经着色的化合物，从而减少成本。”

Kostal 从 PA66 换成了 Lanxess 的 Durethan PA6，为这款车载电池充电器制作外壳。

一段时间以来，PA66因其对冷却剂的耐受性而被用于内燃机冷却回路中的部件。然而，纯电动动力系统的热管理系统正朝着较低的温度转变，PA6化合物对水-乙二醇混合物的长期耐热性对于大多数部件来说是足够的。

从PA66切换到PA6的一个例子是车载电池充电器盖，用于德国汽车制造商Leopold Kostal制造的全电动紧凑型车辆。朗盛Lanxess表示，在Durethan BKV50H3.0中生产的PA6化合物的大规模应用强调了一点，即PA6化合物不一定必须经过水解稳定才能用于乙二醇水冷却剂的电动汽车冷却应用。

在车辆运行过程中，盖子可承受高达85°C的温度，并可承受高至10 bar的爆裂载荷。Helbich表示：“我们认为，在未来，这种类型的PA6产品将在电动汽车盖和其他热管理部件的大规模生产中变得非常普遍。尤其是在冷却系统中的流体连接器或控制单元等应用中。”

需求的变化

电动汽车的不同性能需求正在设定新的材料规格。化合物制造商Mocom公司全球营销汽车高级总监Kurt Maschke表示：“新一代汽车对部件的要求发生了重大变化。大量应用要求在100°C以下的温度下具有阻燃和EMI屏蔽性能。同时，发动机罩下或热管理区域内的部件要求也不容忽视。虽然内燃机的环境温度为150°C或更高，但电动汽车的最高环境温度为100°C。在内燃机的热管理中，这些系统设计在120°C至130°C范围内。

“相比之下，电动汽车的最高温度约为90至100°C。这改变了合适聚合物的选择，从PA66、PA46、PA6、PPA到PP、PC/ABS和PA6，以适用广泛的应用。例如，Mocom的Altech NXT PP是PA66的替代品。此外，阻燃性与良好的水解性能相结合，在电池通风口、安装部件、连接和母线槽领域提供了应用机会。Alcom HP PBT 2030 FR SB1208-20 （PBT GF30）是专门为此目的开发的，并已获得知名汽车制造商的批准。”

在电气应用中使用PA的挑战之一是随着时间的推移保持电气性能，这需要非常稳定。Brüggemann的电中性热稳定剂系列的最新产品是TP-H2217。它是为具有无卤素阻燃要求的增强和非增强脂肪族聚酰胺开发的，据说对金属部件（如过模传感器）既没有腐蚀作用，也没有对其所保护的聚合物的电学性能产生任何重大影响。
“使用Bruggolen TP-H2217，化合物可以生产出结合UL94 V-0分类的聚酰胺材料，具有电中性以及在高温下的永久耐热性，因此特别适合电动汽车的要求。”Brüggemann的产品经理Kristina Frädrich博士说。

应对噪音NVH的挑战

除了电气方面的一系列问题，电动汽车在隔离结构噪声和振动方面也面临着特殊的挑战。如果没有相对响亮的内燃机来掩盖它们，振动引起的噪音会变得更加明显，可能会分散司机的注意力。由于涉及到车辆安全和乘客舒适度，工程师往往很难找到造成噪音的单个部件。聚酰胺专业公司Ascend Performance Materials针对这一挑战推出了Vydyne AVS，这是一种新型工程材料，可有效抑制来自电机和压缩机等来源的高频振动。

该公司声称，这可以使驾驶室声音压力降低80%。目前使用Vydyne AVS的应用之一是凯迪拉克Lyriq，这款车被一位汽车记者称为“我记忆中驾驶过的最安静的汽车”。该车采用了由Vydyne AVS制成的电动交流压缩机安装支架，可以有效地从源头上抑制部件的振动，同时还提供结构支撑。

另一家致力于正面应对这些挑战的公司是Celanese，该公司最近完成了对杜邦工程塑料业务的大部分收购，包括其Zytel PA投资组合。Zytel NVH70G35HSLA2是Zytel NVH Gen 2产品家族的第一个新成员。基于pa66的35%玻璃纤维填充聚合物具有高阻尼，但对于需要持续机械强度的部件，仍保持其基础聚合物的坚固结构特性。

Celanese汽车市场经理Gabe Knee表示：“这种新型Zytel采用了一种不同的方法来隔离高频振动，它利用了材料的结构阻尼能力，而不会随着时间的推移而牺牲延长的抗疲劳能力。我们为电动驱动单元创造了一种经济高效、节省质量且可调的解决方案，减轻了电动汽车的NVH问题，使它们更安静、更舒适。”

在去年11月举行的第51届塑料工程师协会（SPE）汽车创新奖大赛上，用于电动汽车的聚合物化合物的新发展成为主要焦点，来自Celanese工程材料业务的团队与热塑性塑料客户一起度过了一个难忘的夜晚，他们被评为两个不同类别的获奖者。

Cooper Standard 的Plasticol轻质油管系统采用Celanese的Zytel PA 612。

材料类的获奖者是Cooper Standard公司为通用汽车公司开发的Plasticool轻质多层油管。Celanese团队在油管设计中合作，用Zytel PA612聚酰胺取代EPDM热固性橡胶。结果是重量减轻了60%，耐化学性和强度更好。电动和自动驾驶汽车系统类的冠军是由Yazaki/Aptiv设计的高压（HV）配电系统，该系统拥有130多个组件，可以满足福特的所有阻燃和密封要求。该汽车制造商选择了一种阻燃玻璃增强Crastin PBT用于高压触点和结构覆盖，该结构覆盖采用抗水解等级的过模硅胶密封。

目标排放量

混合动力汽车介于电动汽车和内燃机汽车之间，并分担了这两种动力系统所面临的一些挑战。例如，尽管使用了更小的油箱，但目前使用的多层HDPE技术，排放仍然是一个挑战。为了解决这一问题，帝斯曼工程材料公司与雷诺合作，采用了帝斯曼尼龙6材料的 Akulon Fuel Lock开发了一款轻质、解压缩的插电式混合动力汽车燃油箱。该公司表示，极高的型坯稳定性有助实现极窄的壁厚分布；高低温条件下的稳健性保障了极高的安全性。

雷诺上游战略材料团队负责人、聚合物和复合材料技术专家 Laurent Gervat 博士表示：“与帝斯曼工程材料携手打造全新的混合动力汽车油箱，帮助我们在实现向全球各地客户交付更具可持续性的汽车方面，迈出了重要一步。混合动力汽车是实现向更具可持续性的经济转型过程中的重要一环，我们非常自豪能向市场提供这种创新的解决方案。”

雷诺使用DSM的Akulon fuel Lock PA为PHEV开发了一种轻型油箱。

丹麦EVBiler公司生产和销售电动汽车和混合动力汽车零部件，包括移动和固定充电站以及各种配件。该公司最近决定更换一种用于充电电缆的柔性支架的材料。最初是用ABS和3D打印生产的，不断增长的需求意味着转向注射成型。其选择Polykemi为应用提供合适的材料。在考虑了EVBiler的具体需求和需求概况后，Polykemi的技术团队在姐妹公司Rondo Plast同行的帮助下，提出了含有20%玻璃纤维的REPRO PP RG124再生PP。材料的改变意味着每公斤材料减少4.25公斤二氧化碳排放，整体二氧化碳减排超80%。

“我们的选择是基于这样一个事实：我们希望材料的强度相同，但二氧化碳排放量更低。我们还研究了材料在产品使用寿命后的回收情况。”Polykemi在丹麦和荷比卢联盟的销售和技术支持Ole Tietze说。充电盒制造商海德堡（Heidelberg）也一直在寻找材料选择，选择了PA作为其最新的Amperfied壁盒的外壳，而不是之前使用的金属外壳。该公司为该部件选择了巴斯夫（BASF）的Ultramid PA6等级，除了尺寸稳定性和机械强度外，还必须对设备数据通信所需的无线电频率透明。

海德堡（Heidelberg）的安培充电壁盒外壳使用巴斯夫的Ultramid PA。

“Heidelberg Amperified壁盒一直以永恒的设计和坚固的外壳为特点。通过Ultramid外壳，我们与巴斯夫一起，成功地将第一代的品质转移到新一代的壁箱上，并满足额外的要求，如连接性。”Amperfied技术董事总经理Ulrich Grimm说。

加快转变

SABIC的Bluehero计划于去年启动，旨在提供“一个不断扩大的材料生态系统、解决方案、专业知识和计划，帮助加速世界能源向电力转型，并支持实现全球气候变化目标。”增强电动汽车电池系统的解决方案和能力是其首要关注领域。“全球向清洁能源和脱碳的转变正在以更快的速度推动电池创新，电池行业需要具有正确特性的新材料，以实施更可持续、更安全和高效的储能概念。”该公司的技术和创新以及首席技术和可持续发展官Bob Maughon表示。

SABIC认为需要在结构完整性和操作安全性方面提高性能的新电池设计。该公司表示，其已经对暴露在外部火灾和内部失控情况下的电动汽车电池的性能进行了广泛的研究，强调了基于UL 2596的测试结果，该测试结合了压力、烧蚀力、热量和火灾暴露。

 EVBiler在其最新的充电电缆支架中使用了Polykemi回收的PP化合物。

Noryl NHP8000VT3 PPO基树脂已被开发以满足这些需求。它实现了高对比跟踪指数性能（CTI PLC0），提供了超薄壁挤出和热成型能力，并通过非溴化、非氯化阻燃系统在0.25mm处满足UL94 V-0标准。据说它非常适合生产用于EV电池模块的绝缘膜。

在去年的德国K展上，SABIC展示了Lucid Motors的Air EV。这款快速充电的豪华电动汽车一次充电可提供高达530英里（约850公里）的续航里程，并在超过25种应用中使用SABIC热塑性塑料，从结构、电动汽车电池和电气部件到外部和内部部件。Sabic表示，Lexan FR树脂用于电池模块外壳，通过一次成型工艺将电导体直接集成到外壳中，节省了组装时间，提高了质量和一致性。前端模块也采用Stamax长玻璃纤维PP与热塑性复合片材的组合一次性成型。

该过程包括将预切割的板材插入模具中，在模具中对板材进行成型并与其他插件组合，然后进行包覆成型，以形成轻质但具有刚性的复合材料部件。

Teknor Apex在电动汽车充电电缆中发现了Flexalloy PVC弹性体的机会。

墨西哥内饰部件供应商GDO选择了Elix Ultra HH4115PG，这是一种来自Elix Polymers的ABS/PC混合物，用于高级电动汽车制造商使用的镀铬仪表板饰件。Ultra HH4115PG是该公司为镀铬应用提供的几种产品之一；Elix ABS P2MC获得多项OEM认证，HH P2MC推荐用于需要更高耐热性的应用，Ultra HF4200PG是一种高流量的ABS/PC混合物。

去年，Elix Polymers与Aimplas和Itera Mobility Engineering合作开展了一个由国家研究机构（AEI）资助的SMART5G项目，旨在开发一个智能、高效和可持续的系统，使驾驶员能够将已放电的电动汽车电池组更换为充电电池组，以避免长时间的充电停止。该计划还基于可重复使用、可回收的热塑性复合材料，为轻型车辆开发可持续的结构电池外壳。

Teknor Apex为电动汽车充电电缆提供Flexalloy PVC弹性体。该公司表示，这种材料耐磨、耐化学和耐油，脆点低至-60°C，高温等级高达105°C。该公司表示，这种性能组合使它们非常适合应用于电线和电缆，例如电动汽车充电电缆。

该化合物提供了轻量化的材料，包括其半芳香族Creamid S和低吸湿性Creamid P聚酰胺，并正在开发用于结构金属替代的长玻璃PP和PA产品。它还扩大了其可持续材料组合，并声称在可持续PA材料方面拥有核心竞争力。其Recyclon PA解决方案已在北美销售，包括含有高达100%回收成分的牌号，在性能和加工性方面具有高度一致性。

Teknor Apex的新业务开发经理Lance Nunley表示：“我们的关键方法是确定并设计解决方案，以实时应对客户面临的实际挑战。”

摘自：AMI《配混世界》
作者：Chris Saunders

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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