碳纳米管导电塑胶材料在新能源汽车的应用

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01 塑胶在电动车高压电气的应用趋势

新能源汽车日趋火爆，车辆外观，内饰，声学品质，行人保护等需求的提升，以及低碳环保的需求，对于原材料的需求，成型工艺的改进等提出了新的挑战。

电动车高压电气中，塑胶在汽车产业上的应用有哪些趋势？

以塑代钢（金属）轻量化趋势（高压电气部分）

就高压电气来说，目前有一部分金属外壳在不需要考虑屏蔽问题的前提下可以做以塑代钢处理。

和金属材质相比，部分金属更换为塑料后可减重30%左右，目前如一辆纯电动车可降重100kg左右。而根据塑料厂商的探讨，把塑料材质的强度、抗冲击等综合性能提高的话，成本也会相应提高。虽然就塑料材质的单块成本来说会提高，但是就整车而言，汽车重量减轻后，可以延长车辆的续驶里程，同时降低对电池容量的要求，而就节约用电量而节约的成本与塑料材质的单块上升的成本之间的成本差而言，汽车轻量化无疑是更好的选择。

所以轻量化是目前整个新能源汽车以及云轨发展的趋势，这不局限在高压电气、低压电气部分，同样也适用于汽车的内外饰。

导电率：塑胶+导电涂层（高压电气部分）或导电塑胶材料

以塑代钢的同时，塑胶材料的导电率也是需要着重考虑的问题。因为只有塑胶材料能够导电，才能满足高压电气的EMC要求。因为电动车辆在电磁信号抗干扰方面要求是非常严的。如果要用塑料替代高压电气和其他连接方面的一些金属材质的话，有两种方案可以实施。

一种方法是塑胶表面涂可导电的金属涂层；

另外一种方法是在原材料中加入导电材料。

通过这两种方式达到整车EMC要求。但是塑胶+导电涂层的方法，因为成本、工艺以及生产效率低等因素，只能作为概念去尝试，不能作为长远发展的操作方式，未来应该更趋向于开发一些导电的塑胶材料。这是整个新能源汽车行业需要去努力解决的问题。

在线静电喷涂

金属和聚合物类的汽车部件喷漆需要单独的作业线，譬如，挡泥板、保险杠、水箱挡板、格栅、后视镜外壳、外部装饰和后围侧板等汽车外部零件，需要比较复杂的喷漆工艺。由于塑料本身具有绝缘性，直接进行静电喷漆作业很难完成，这便增加了额外的成本，并影响到整个喷漆工艺的效率。

为了解决这一问题，汽车部件的制造商需要选择耐温的热塑性塑料，并用导电添加剂改性这一体系。最为广泛使用的导电添加剂是炭黑，然而，由于其所需的添加量较高，会导致加工性能受到影响，使用炭黑的汽车终端部件机械性能也会变差。还有如石墨、碳纤维、石墨烯都存在许多类似难题。

LG化学目前采用碳纳米管制造出可以代替金属的静电喷涂塑料，供应给3款日本三菱汽车的前轮挡泥板。除了前轮挡泥板外，该产品还可应用于保险杠、后视镜、后备箱燃料注入口等汽车零部件厂商需要的外饰材料。

图源：LG、三菱

高强度、韧性好：极寒、高温、强振动、强冲击等条件下的强度要求

主要以比亚迪工程车和物流车为例来解说新能源汽车对塑胶材料的强度要求。

1）高强度高韧性要求

这类车辆在减震和舒适度方面要求没有轿车要求那么高，在减震器方面的选择就决定了：如果要用塑胶材料的高压电气连接或者确保整个高压电气内部的绝缘性能，那么就会对塑胶材料的韧性和高强度有很高的要求。那高强度和韧性是不是有冲突？这就需要有个综合的对比。

2）抗极寒要求

比亚迪此前整车去到漠河做实验，发现原本在南方地区实验中未出现问题的车辆，在漠河做实验时就出现了零部件开裂和一些其他问题，这就说明在应用塑胶材料时需要考虑极寒状态下会出现的一些状况。

3）耐高温方面保持稳定性

汽车电机旁这一块是低温和高温交变的区域，整个电机在极寒状态下会经历从零下几十度上升到上百度的骤变过程，而电机在运行过程中也一直保持在上百度高温的状态，这就需要塑胶材料在耐高温性能方面保持稳定性。

4）确保车辆电气设备在高频振动下不出现开裂状况

而在强冲击方面，由于路况、整车速度以及驾驶员习惯等因素，我们在强冲击方面要求也比较高，目前比亚迪整机制作的高压电气抗冲击性能为30J—35J。

以上情况说明，我们在材料应用方面的要求，不能仅依据我们看到的部分，还要结合实际使用状态下出现的各种情况。

那接下来给大家介绍一下在使用状态下对材料的特殊要求：

1）耐磨耐裂

目前主要是在充电连接方面，正常情况下充电接口的寿命是插拔各一万次，但是在实际使用过程中，充电接口会出现严重的磨损、公差和开裂等问题，这就对材料的耐磨性有很高要求。

2）阻燃环保

目前市场上对阻燃这方面有设定HB、V-2、V-1、V-0等等级，材料需要达到哪种阻燃等级，最终需要根据设计去选型。同时为避免事故发生时出现浓烟和毒害情况，在燃烧烟密度和毒性指数方面，我们也需要密切关注。

3）耐气候性

在室外长期使用充电的工程车耐气候性一般要求是10--15年。在不拆卸情况下长期使用，汽车用塑胶材料的寿命取决于整车的质量，那么塑胶材料耐UV长期暴晒要求要是很重要的一点。

02 塑胶导电改性

传统的解决方案主要是向聚合物中添加炭黑、碳纤维、不锈钢纤维以及金属添加剂等导电填料来实现聚合物的导电性。使用这些填料可能会带来诸如产品掉粉、加工困难、密度过高、产品过重等问题。

现阶段对ESD和EMI Shielding材料的新要求包括了高强度、轻量化和小型化等。这种情况下，传统的导电填料已经无法充分满足这些要求。

例如，在静电释放应用领域，使用炭黑作为导电填料时，炭黑的添加量往往较高。由于高含量炭黑的存在，产品有时会出现“掉粉“的问题，这会造成电子产品污染，对新能源汽车和精密电子产品包装是不可接受的。

另外，高含量的炭黑还会影响材料的机械性能，例如韧性、拉伸性能等。在电磁屏蔽的应用中，往往需要材料有非常优异的导电性，因而导电填料的含量较高，大量使用导电填料不仅会大大提高材料的密度，同时还会严重影响材料的加工性能。

碳纳米管（CNT）由于低添加量、永久导电、低阻抗、高机械稳定性（对材料的冲击强度影响小）、抗氧化性、高比表面积、电子传递性备受青睐。

添加碳纳米管预分散体后，塑料外部件和金属部件可以使用电泳技术进行在线电子喷涂，而在此前，需要添加单独的作业线。现在，对于生产用于汽车、工业、建筑、采矿和其他应用的聚合物注塑件制造商而言，他们有机会通过使用高性能碳纳米管，在不改变标准操作流程的情况下，降低生产成本和提高生产效率。

图源：网络

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来源：帕科莱

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