随着内燃机汽车向混合动力汽车和电动汽车转变，峰值工作温度已从135°C降至110°C。与此同时，与内燃机相比，运行小时数也增加了九倍。这些都对材料选择产生了影响。EMS集团以PA66和PPA为例对高性能聚合物是否可以在未来被成本更低的替代品取代进行了评估。

几乎所有研究项目的目标都是在所有可能的解决方案中找到最具技术性和经济性的解决方案。技术性取决于对固定的、最低的以及在某些情况下附加的首选要求的满足程度。例如，它们可以是经济节约、更高的效率和更长的使用寿命。制造成本——即材料成本和加工成本则是影响经济性的主要因素。

关键技术要求是在有限的安装空间内优化设计，减少壁厚，释放更多的安装空间。特别是像传感器这类微型产品。此外，不断增加的要求——例如：更长的使用寿命、未知条件下的可靠性和风险最小化都对各种技术替代方案产生了限制。由于内燃机到电动机的转变，汽车制造商和供应商也面临着重大挑战，因为两种技术所需的材料特性在某些情况下存在极大差异(见表格)。其中的问题之一是以前使用的高性能材料是否可以用成本更低的替代品代替。聚合物制造商EMS-Grivory以水解稳定的聚酰胺66(PA66)和高抗水解的聚邻苯二甲酰胺(PPA)为例对此进行了评估。目前所选的是一些典型的代表性材料;PA66是玻璃纤维含量为30%的牌号(PA66-GF30)，PPA则是玻璃纤维含量为40%的牌号(PPA-GF40)。

表 对不同类型车辆的运行温度和运行时间的要求(来源：EMS-Grivory)

一、PPA：吸水率低于PA66

所选PPA(产品名称：Grivory HT1VA-4 HY;制造商：EMS-Grivory)与PA66相比最重要的物理差异化特征是玻璃化转变温度高55°C，吸水率显著降低和变慢(图1)。在许多情况下，更低的吸湿性和相对更好的尺寸稳定性已足以让人选择PPA而非PA66。此外，HT1VA-4 HY在较宽的温度范围内表现出了明显更高的刚度、强度和抗蠕变性，与PA66相反，它们大体上与水分含量无关。此外，PPA还具有优异的耐化学性和抗水解性。

图1 与PPA Grivory HT1VA-4 HY相比，即使是水解稳定的PA66也具有更快更高的吸水性(根据ISO 62在23°C的温度条件下在100 x 100 x 3 mm的板上测得)(来源：EMS- Grivory;图：© Hanser)

针对PPA加工，注塑单元和模具(油回火)需要比PA66更高的加工温度。材料的收缩行为各不相同，所以会对尺寸公差产生影响。因此，如需要在现有模具上直接从PA66向PPA转变，通常需要对模具进行更改。针对PA66与PPA在电动汽车冷却系统中的适用性测试，壁厚为4 mm的DIN拉伸试棒在110°C的温度条件下被储存在高压灭菌器基于乙二醇的水-乙二醇混合物中(混合比1:1)长达8000小时。

在上述条件的作用下，PA66-GF30的断裂拉伸应力值下降了40%以上，降至127MPa(图2)。8000小时后，该值变为55MPa，相当于干燥状态下原始值减少73%。PA-GF40在条件作用下的断裂拉伸应力值为240MPa(-4%)，8000小时后变为186MPa(-25%)。在110°C的水-乙二醇混合物中储存8000小时后，PPA-GF40的断裂拉伸应力值是PA66-GF30的三倍以上，相当于使用PPA时性能提高了240%。

图2 在110°C的1:1水-乙二醇混合物中储存8000小时后，水解稳定的PA66-GF30的断裂拉伸应力值从202降至55MPa(-73%)。PPA(Grivory HT1VA-4 HY)则从249MPa降至186MPa(-25%)(来源：EMS-Grivory;图：© Hanser)

拉伸试棒的显微照片显示，PA66-GF30在条件作用8000小时后于表面出现微裂纹(图3)。这也清楚地表明材料会在不到最短运行时间一半的20,000小时后受到损伤。具有较高壁厚的设计可以降低因温度或介质影响而导致的失效风险，但这会使部件更重并且在注塑成型过程中需要更长的冷却时间，而这会对零件成本造成负面影响。另一方面，Grivory HT1VA-4 HY的显微照片展现了其完美的表面光洁度。因此，这种材料可用于生产壁厚更薄、重量更轻的零件。PPA在高温条件下具有高强度和高刚度，因此特别适用于轻质结构。通过使用这种材料可以将部件壁厚减至最小，不仅可以减轻零件重量，还可以节省周期时间并且降低制造成本。

图3 在110°C的水-乙二醇混合物(基于乙二醇，混合比1:1)中储存8000小时后的显微照片。Grivory HT1VA-4 HY(左)未出现任何损伤，但PA66-GF30(右)却出现各种表面微裂纹(标红)。这也表明它们会对材料造成重大损伤 © EMS-Grivory

二、PPA将制造成本降低44%

作为一个例子，将一个由PA66-GF30制成的U型材和一个由PPA-GF40制成的U型材(两者都带有对角肋)在弯曲应力下进行比较。在110°C的水-乙二醇混合物中储存过后，PPA的断裂拉伸应力值提高了3.4倍(图2)，性能提升了240%。在本例中，PPA-GF40相较于PA66-GF30更高的强度使壁厚能够从5mm减少到2.5mm，同时组装高度减少36%，最终体积减少62%(图4)。但是，这种壁厚的减少受材料流动性的限制。因此，理论周期时间将缩短66%，总制造成本将节省44%。这些成本节约按每小时150欧元的平均机器费率计算。由于PA66-GF30与Grivory HT1VA-4 HY相比密度较低，因此与PA66相比，使用PPA可减少58%的重量和38%的成本。体积减少和周期时间变短带来的总成本节省达44%(图4)。

图4 用PPA代替PA66能够显著减少部件的体积。但是，材料的流动性对壁厚的减少造成了一定的限制(来源：EMS-Grivory;图：© Hanser)

与PA66等强度较低的材料相比，使用PPA可提升的性能取决于涉及的载荷类型和零件结构。PPA聚合物使设计工程师能够设计出最具技术和经济意义的部件。使用PPA材料(如：高抗水解的Grivory HT1VA-4 HY)可为需要极度抗水解的高强度部件带来技术和经济上的改进。

三、问题的答案

EMS 产品组合包括用于汽车结构件、与食品和饮用水接触的部件以及含 30-60% 玻璃纤维增强材料的部件。艾曼斯还有易脱模的牌号可供选择，用于复杂的结构件或倒扣，以及使用光学黑色染料以实现激光穿透的产品。

图5 与PA66-GF30相比，PPA-GF40具有众多优势(来源：EMS-Grivory;图：© Hanser)

PPA等高性能聚合物不仅应用在混合动力汽车和电动汽车中，而且在任何需要同时减轻部件重量并获得最大性能的领域都将持续受到欢迎。使用Grivory HT1VA系列产品可获得坚固、轻便、耐用并且可靠的部件。

来源:塑库网