高溫尼龍（HTPA）在汽車工業(yè)中的應(yīng)用研究

高溫尼龍，通常是指長期使用溫度高于150°C，并具有良好的機(jī)械性能、尺寸穩(wěn)定性和耐化學(xué)性的半芳香族或全芳香族聚酰胺工程塑料，主要種類包括PA6T，PA9T，PA10T等。

當(dāng)前，新能源汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力已轉(zhuǎn)向電能的高效轉(zhuǎn)換與智能控制，尤其是隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的落地，激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等精密傳感設(shè)備密集安裝，要求材料既要能夠抵擋熱輻射沖擊，又要實(shí)現(xiàn)裝配穩(wěn)定性。在此需求下，高溫尼龍的工程價(jià)值凸顯。

區(qū)別于常規(guī)尼龍材料，高溫尼龍分子鏈中的剛性芳香環(huán)結(jié)構(gòu)賦予材料高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與銅合金接近的熱膨脹，并通過填料復(fù)配技術(shù)控制流動(dòng)收縮的微觀形變，讓塑膠部件具備堪比金屬構(gòu)件的尺寸精度。

材料與工藝的協(xié)同突破，重新定義了汽車動(dòng)力系統(tǒng)防護(hù)、電氣連接保障與電子設(shè)備集成三大領(lǐng)域的車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

基于此，本文將圍繞高溫尼龍的材料特性與汽車工業(yè)需求，深入探討高溫尼龍?jiān)谄嚬I(yè)中的應(yīng)用，旨在為汽車工業(yè)向集成化、智能化發(fā)展提供材料方面的參考。

一、高溫尼龍的材料特性與汽車工業(yè)需求分析

1.高溫尼龍的核心性能指標(biāo)

高溫尼龍具有優(yōu)越的耐高溫性能，還具有優(yōu)秀的低吸水性和尺寸穩(wěn)定性，普通塑料的“熱脹冷縮”效應(yīng)明顯，而高溫尼龍?jiān)诮?jīng)歷劇烈的溫度變化時(shí)，體積變動(dòng)能保持在極小且緩和的范圍內(nèi)，為依靠精密尺寸配合才能有效運(yùn)轉(zhuǎn)的各種部件長期、可靠工作提供支持。

關(guān)鍵特征（與傳統(tǒng)尼龍PA6/PA66相比）

（1）耐高溫性：這是最核心的特征。

• 熱變形溫度：普遍在180℃以上，一些品種可達(dá)290℃。

• 長期使用溫度：可在150℃-230℃的環(huán)境中持續(xù)工作。

• 短期峰值溫度：可承受更高的瞬時(shí)高溫。

• 優(yōu)異的耐焊錫性：適用于表面貼裝技術(shù)的電子元件。

(2)低吸濕性：吸水率遠(yuǎn)低于PA6和PA66。這意味著：

• 尺寸穩(wěn)定性**：制品受環(huán)境濕度影響小，尺寸變化微小。

• 機(jī)械性能穩(wěn)定：在潮濕環(huán)境下仍能保持較高的強(qiáng)度和模量。

• 良好的電絕緣性：即使在潮濕條件下，電性能衰減也很小。

(3)優(yōu)異的機(jī)械性能：在高低溫下均能保持高剛性、高強(qiáng)度、良好的抗蠕變性和抗疲勞性。

(4)良好的耐化學(xué)性：對(duì)燃油、機(jī)油、冷卻液、清潔劑等有優(yōu)異的抵抗能力。

(5)優(yōu)異的耐水解性：特別是在高溫高壓的潮濕環(huán)境中，性能衰減慢，壽命長。

此外，其還具有可靠的電絕緣性能，可嚴(yán)防電流泄漏、阻隔火焰蔓延。高溫尼龍具有強(qiáng)大的電阻特性，即使空氣濕度極高、表面凝結(jié)大量水汽，仍能阻止危險(xiǎn)漏電路徑的形成；面對(duì)高壓電弧時(shí)，火花難以在其表面蔓延。

2.汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高溫尼龍應(yīng)用的規(guī)范要求

車輛運(yùn)行中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙是高溫環(huán)境的核心區(qū)域，艙內(nèi)使用的塑料部件依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1634.2—2019，在1.82MPa壓力的測(cè)試條件下進(jìn)行承重測(cè)試。其中，作為關(guān)鍵部件的進(jìn)氣歧管，其主體塑料材料在加載上述壓力條件下開始發(fā)生明顯變形的溫度不得低于180℃；而在渦輪增壓系統(tǒng)這類溫度壓力環(huán)境更為嚴(yán)酷的區(qū)域，材料必須能在220℃以上才開始顯著變形，才能確保導(dǎo)風(fēng)罩在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)排出的極高溫度下不發(fā)生下陷、變形。

針對(duì)新能源汽車使用的電線保護(hù)元件，最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/ZZB3670—2024對(duì)尼龍波紋管類材料提出明確要求：必須保證在-40℃的酷寒環(huán)境中維持所需功能性，同時(shí)能在125℃高溫環(huán)境下連續(xù)正常工作168h而不損壞；此外，在標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)條件下，燃油透過管壁材料的滲出量需嚴(yán)格控制，每24h的滲出總量每平方米不得超過15g。

尼龍波紋管

3.高溫尼龍與汽車核心應(yīng)用場(chǎng)景的適配性

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊以及新能源汽車電池、電機(jī)和電控等溫度變化劇烈的區(qū)域，工作溫度跨度極大，從-40℃的低溫到140℃的高溫，同時(shí)還要經(jīng)受機(jī)油、冷卻液等化學(xué)物質(zhì)的持續(xù)考驗(yàn)。以散熱器水室和節(jié)溫器罩殼為例，它們長期浸沒在滾燙的防凍液中承擔(dān)承壓密封的任務(wù)，普通塑料會(huì)在此環(huán)境下快速老化失效，而特定配方的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料能夠在高熱防凍液的長期包圍中穩(wěn)定保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性，保障這些關(guān)鍵部件長效、可靠運(yùn)行。

汽車散熱器

在汽車輕量化設(shè)計(jì)方面，高溫尼龍也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在需要替代傳統(tǒng)鑄鐵、鋼、鋁合金的部位（如離合器操縱系統(tǒng)中的分泵殼體、換擋機(jī)構(gòu)中的撥叉等零件），聚鄰苯二甲酰胺（PPA）這類高級(jí)尼龍工程塑料在密度上的先天優(yōu)勢(shì)為減重帶來巨大空間，其固有的高強(qiáng)度、剛性以及可定制化特性，能夠滿足承載機(jī)械載荷的功能要求。

這種先進(jìn)尼龍材料的應(yīng)用，還為其他精密部件功能的長期穩(wěn)定發(fā)揮提供支持。車輛內(nèi)承擔(dān)電力傳輸與信號(hào)溝通重任的各式連接器接口件，對(duì)材料要求苛刻：既需具備在小型化插拔中抵御物理變形的強(qiáng)度與剛度、在長期使用中抵抗應(yīng)力開裂的韌性，又要保證極高的尺寸精度和長期尺寸穩(wěn)定性。高溫尼龍本身熱膨脹率低、吸濕后尺寸變化極小，再加上良好的阻燃能力與高絕緣性，為整車電氣安全構(gòu)筑了一道重要屏障。

二、高溫尼龍?jiān)谄囮P(guān)鍵系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)要點(diǎn)

1.高溫尼龍?jiān)谄噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙高溫高壓環(huán)境中，由于耐高溫性能優(yōu)良，高溫尼龍已成為進(jìn)氣管、油底殼蓋板、水泵葉輪等重要部件的核心材料。

進(jìn)氣歧管

渦輪增壓器的進(jìn)氣歧管將承受180~220℃高溫氣體的沖刷，一般塑料在此溫度下會(huì)迅速變軟并發(fā)生變形，而采用高溫尼龍制造的部件即使處于1.82MPa的壓力下仍能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，避免進(jìn)氣通道被高速氣流吹塌。

油底殼護(hù)板

對(duì)于油底殼蓋板，其既需在約150℃的機(jī)油環(huán)境中使用，又要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)，經(jīng)30%玻纖改性的高溫尼龍疲勞強(qiáng)度可達(dá)到80MPa以上，大幅降低螺栓連接處開裂的可能性。在變速器換擋部件應(yīng)用方面，該部件需長期浸泡在120℃的變速器油中承受齒輪沖擊，可采用50%礦物填充高溫尼龍，將其PV極限值提高到3.0MPa·m/s，從而更好地應(yīng)對(duì)熱量冷縮效應(yīng)，避免信號(hào)失準(zhǔn)。

為驗(yàn)證高溫尼龍?jiān)趧?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)高溫工況下的適用性，為驗(yàn)證高溫尼龍?jiān)趧?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)高溫工況下的適用性，本文開展了多維度實(shí)證研究，包括在150℃油浸1000h條件下測(cè)定其力學(xué)性能；將葉片水泵試驗(yàn)組件浸泡在130℃冷卻液中，以6000r/min的速度運(yùn)行500h，觀測(cè)變形與密封效果；記錄渦輪增壓器組件在高海拔爬坡路段真實(shí)的溫變應(yīng)用工況。

結(jié)果顯示，高溫尼龍部件在發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度達(dá)205℃時(shí)變形量不超過0.5mm，完全滿足安裝配合要求。高溫尼龍傳動(dòng)部件驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表所示。

高溫尼龍傳動(dòng)部件驗(yàn)證數(shù)據(jù)

2.高溫尼龍?jiān)谄囯姎怆娮酉到y(tǒng)中的集成應(yīng)用

現(xiàn)代汽車內(nèi)部，數(shù)以百計(jì)的電子控制單元ECU相互連接構(gòu)成復(fù)雜的信息與能量網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是種類繁多的大小連接器。高溫尼龍可作為連接器的基座骨架和鎖緊結(jié)構(gòu)，即使在高溫長時(shí)間服役后，仍能緊緊箍住內(nèi)部的金屬端子針腳，杜絕因接觸不良導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)。

電子控制單元ECU

汽車電機(jī)控制器（MotorControlUnit，MCU）負(fù)責(zé)將電池直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的交流電，工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。為將熱量有效散發(fā)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備在有限空間內(nèi)的良好運(yùn)行，需要結(jié)構(gòu)精巧、散熱高效的殼罩作為支撐平臺(tái)。

電機(jī)控制器

高溫尼龍具有**的成型設(shè)計(jì)靈活性，可塑造出內(nèi)部迷宮式散熱筋結(jié)構(gòu)和高精度模塊安裝定位樁點(diǎn)；同時(shí)，高熱變形溫度使其能緊貼發(fā)熱源，本身雖不具備導(dǎo)熱性，但可穩(wěn)定承載導(dǎo)熱介質(zhì)；其穩(wěn)固的電氣絕緣屏障屬性，使得即使控制殼內(nèi)遍布高壓母線，也能保障各高壓區(qū)域間足夠的爬電距離和電氣間隙，完全符合最苛刻的汽車電氣絕緣安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.高溫尼龍應(yīng)用的工藝優(yōu)化

高溫尼龍應(yīng)用的工藝優(yōu)化需關(guān)注兩個(gè)核心方面。一是對(duì)螺桿料筒設(shè)定細(xì)致的分區(qū)控溫。對(duì)于結(jié)構(gòu)特別精細(xì)、存在急轉(zhuǎn)彎的模具型腔，常規(guī)溫度下熔體前沿會(huì)過早降溫失去穿透力，造成填充不足。對(duì)此，可在模具主流道附近、噴嘴位置設(shè)置獨(dú)立控溫單元，在熔體即將沖擊精細(xì)結(jié)構(gòu)的起始瞬間短暫施加稍高溫度，輔助熔體獲得額外動(dòng)能，快速充填這些細(xì)微區(qū)域。

高溫尼龍冷卻過程中不均勻的收縮是導(dǎo)致零件變形的主要原因，因此第二個(gè)優(yōu)化方向是設(shè)計(jì)合理的模具冷卻水走位布局，打造非均勻但受控的溫度梯度場(chǎng)。首先需識(shí)別零件的關(guān)鍵功能區(qū)和變形敏感區(qū)域，在這些結(jié)構(gòu)下方鋪設(shè)高水路密度和近距離換熱面，讓厚壁區(qū)、高結(jié)構(gòu)復(fù)雜性區(qū)域快速帶走熱量并優(yōu)先硬化固定。

而后在零件的平直大板面、非關(guān)鍵支撐區(qū)域，將冷卻水路設(shè)計(jì)為流速較低、回路稀疏的“緩冷區(qū)”，有效對(duì)抗整片區(qū)域內(nèi)材料單純自由收縮造成的翹曲卷邊、凹坑變形趨勢(shì)。

面向未來，隨著800V及以上高壓平臺(tái)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的快速推廣，以及電子電氣架構(gòu)持續(xù)向高集成、高功率密度方向發(fā)展，高溫尼龍有望在耐溫等級(jí)、機(jī)械性能、成型工藝效率及材料可循環(huán)性等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步突破，為下一代智能電動(dòng)汽車提供性能更強(qiáng)、可持續(xù)性更優(yōu)的綜合材料解決方案。