Exploração de aplicações de materiais PPS de alta amortiguação em sistemas de controle eletrônico

Introdução: uma dimensão de desempenho negligenciada

Polifeno-enxofre(PPPor sua excelente resistência térmica, resistência à corrosão química e estabilidade dimensional, tem sido amplamente utilizado em sistemas de controle eletrônico de veículos de nova energia, conectores elétricos e outras áreas. No entanto, há uma dimensão de desempenho há muito negligenciada pela indústria:Desempenho de amortiguação。

A amortigração, ou seja, a capacidade do material de absorver a energia vibratória, é geralmente medida em fator de perda (tan δ). Para componentes elétricos instalados em ambientes vibratórios - seja uma caixa de conexão ao redor do motor, um conector perto do motor ou uma caixa de inversor integrada no conjunto de acionamento elétrico - a capacidade de amortiguação do material está diretamente relacionada com a estabilidade de contato do terminal, a vida útil da fadiga do ponto de solda e até a confiabilidade a longo prazo do sistema inteiro.

Infelizmente, a normaPPSO fator de perda a temperatura normal é extremamente baixo. Pesquisas da indústria mostraram que o PPS, embora tenha um fator de perda mais alto em temperaturas mais altas (por exemplo, acima de 100 ° C), tem um fator de perda muito baixo no intervalo de temperatura normal de 100 ° C e abaixo. Isso significa que, quando a vibração é conduzida para caixas de conexão ou conectores feitos de PPS, quase toda a energia vibratória é transferida para os pontos internos de conexão ou ponto de solda, e a acumulação a longo prazo pode resultar em relaxamento de contato, aumento da resistência, aquecimento e até corrosão.

A indústria não está inconsciente desse problema. No motorControladorEm aplicações como conectores de alta tensão, engenheiros geralmente compensam a insuficiência de amortiguação do próprio material adicionando juntas de borracha e otimizando o design estrutural. No entanto, essas opções aumentam o número de peças, o processo de montagem e o custo, e o caminho de redução de vibração depende da estrutura externa em vez das propriedades do material. Se esse problema for resolvido a nível do material, oferecerá um novo grau de liberdade para o projeto de atenuação de vibração do sistema de controle eletrônico.

A Wolf Chemical está continuamente explorando e verificando esta direção e agora compartilha seus resultados preliminares com colegas da indústria.

　Estado atual da indústria: curto-circuito de amortiguação do PPS convencional

2.1 Por que o PPS convencional tem baixa amortiguação?

A cadeia molecular PPS é composta por anéis de benzeno e átomos de enxofre alinhados alternadamente, com estrutura altamente regulada e cristalidade geralmente entre 50% e 60%. Esta estrutura ordenada confere ao PPS uma excelente rigidez e resistência ao calor, mas também traz um efeito colateral:

Movimento limitado do segmento da cadeia molecular: a temperatura normal, a cadeia molecular PPS está em estado de "congelamento" e é difícil dissipar a energia vibratória através do atrito interno entre as cadeias moleculares.

Fator de perda extremamente baixo: tan δ a temperatura normal é geralmente apenas 0,001 ~ 0,06, basicamente não tem capacidade de absorção de vibração

Dependência de temperatura clara: o desempenho de amortiguação do PPS só aumenta significativamente a temperaturas mais altas, mas isso está além da faixa de funcionamento normal da maioria dos componentes elétricos

2.2 Situação atual da indústria

Atualmente, a indústria de materiais de isolamento PPS de controle eletrônico do motor, ainda não tem uma atenção geral ao desempenho de amortiguação, todos pensam que o material PPS é assim.

2.3 Necessidades não satisfeitas

No contexto do desenvolvimento de sistemas eletrônicos de controle de veículos de nova energia em direção a alta integração e alta densidade de potência, componentes como caixas de inversores, caixas de conexões e conectores enfrentam condições de vibração cada vez mais exigentes. Há uma necessidade clara e urgente da indústria de materiais que "mantenham as vantagens inerentes ao PPS e possuam uma boa capacidade de amortiguação". Quanto maior for o fator de amortiguação, menor será a vibração estrutural e menor será o ruído, o que tem um significado direto para a melhoria do desempenho NVH do veículo.

3.1 Ideias de design

Na longa prática de modificação do PPS funcional, a equipe da Wolf formou gradualmente uma ideia de "design multifásico". A ideia principal é que, através da construção de "unidades de dissipação de energia" em escala microscópica no substrato PPS, o material pode ser dissipado de forma eficiente para converter energia mecânica em energia térmica quando é submetido a vibrações.

Especificamente, essa ideia de design inclui os seguintes níveis:

1) Manter o corpo contínuo

Como uma fase contínua, o PPS garante que a resistência térmica, química e a estabilidade dimensional do material como um todo não sejam afetadas. Essa é a premissa de todas as mudanças – não sacrificar as vantagens fundamentais do PPS para amortecer.

(2) Introdução de microzonas flexíveis de consumo de energia

Introdução de microregiões flexíveis com boa compatibilidade com PPS no substrato. Essas microregiões sofrem deformações viscoelásticas reversíveis quando submetidas a tensões alternadas, e o atrito interno entre os segmentos da cadeia molecular converte a energia mecânica em energia térmica - o princípio básico da amortiguação viscoelástica.

(3) Construir unidades de consumo de energia de atrito de interface

Introdução de um segundo componente moderado em combinação com a interface de matriz PPS. Em condições vibratórias, um pequeno deslocamento relativo (atrito interno) é gerado entre o componente e o substrato, consumindo energia vibratória adicional. Este mecanismo é semelhante à versão microscópica do "amortiguador de atrito" comumente usado na engenharia.

4) Sinergia multidimensional

A microzona flexível é diferente da faixa de frequência de resposta da unidade de atrito da interface e o mecanismo de consumo de energia é complementar. As duas sinergias podem alcançar um efeito de amortiguação de banda mais ampla.

3.2 Desempenho típico

Após a otimização sistemática da formulação e a exploração do processo, as propriedades típicas do material PPS altamente amortiguado da Wolf (PPS + GF40) são as seguintes:

Quanto ao fator de amortigração: um fator de perda superior a 0,20 significa que o material é capaz de converter cerca de 23% da energia vibratória em energia térmica. Como referência, este valor do PPS convencional é de cerca de 1% ~ 2%, aumentando mais de uma escala de quantidade. Em contraste, o valor de amortiguação do aço é muito menor, e o desempenho de amortiguação tem um impacto significativo no desempenho do NVH.

Em relação às propriedades mecânicas: Enquanto o fator de amortiguação aumentou significativamente, a resistência à estiração, o alongamento à ruptura e a resistência ao impacto não diminuíram ou melhoraram ligeiramente. A taxa de alongamento de ruptura é superior a 2,2%, superior ao PPS convencional reforçado com fibra de vidro de 40%, o que significa que o material tem mais "espaço para erros" quando é submetido a vibrações, enflamento térmico ou tensão de montagem. O módulo de curvatura caiu de 14 GPa para 11 GPa, ainda muito superior ao plástico de engenharia comum, e ainda é abundante para estruturas de parede fina, como caixas de conexão e caixas de controle eletrônico.

Em termos de resistência térmica e isolamento: a temperatura de deformação térmica é mantida acima de 260 ° C e, em comparação com o PPS convencional, suporta soldadura de refluxo sem chumbo e condições de alta temperatura de classe automotiva. A resistência volumétrica é mantida no nível de 105 Ω·cm para atender aos requisitos de isolamento de componentes elétricos de alta tensão.

　IV. Aplicações potenciais

Com base nas propriedades do material acima, as seguintes categorias de aplicações podem se beneficiar da introdução de PPS de alta amortiguação:

4.1 Caixa do controlador do inversor/motor (em combinação com o material de proteção de absorção EMC da Wolf)

Os inversores, como componentes de potência essenciais de sistemas de controle eletrônico, têm fontes de vibração complexas, incluindo tanto os estímulos internos gerados pelos interruptores de alta velocidade do dispositivo de potência quanto a transmissão externa do motor e da superfície da estrada. A placa de controle, a placa de acionamento e vários sensores estão integrados no interior da caixa, o que exige uma redução de vibração rígida. Os materiais de caixa de alta amortiguação melhoram o desempenho vibratório do sistema sem adicionar peças adicionais.

4.2 Caixas e conectores para automóveis

A caixa de conexão contém vários pontos de conexão do terminal, e a vibração a longo prazo pode levar ao afluxamento do terminal, ao aumento da resistência ao contato e, por sua vez, ao aquecimento local e até à corrosão. O PPS de alta amortiguação absorve a energia vibratória a nível do material, reduzindo a amplitude da vibração transmitida ao terminal e aumentando a confiabilidade a longo prazo.

O motor produz vibrações de banda larga durante o trabalho, e os sensores e atuadores instalados na caixa do motor ou nas proximidades suportam essa vibração a longo prazo. Os materiais de alta amortiguação ajudam a proteger os componentes internos de precisão, reduzindo o risco de tremores de sinal e contato intermitente.

4.4 Componentes elétricos em outros ambientes vibratórios

Todos os componentes PPS que trabalham em ambientes vibratórios, como terminais de compressores, conectores para bombas, placas terminais de módulos de bateria, etc., têm potencial valor de aplicação.

V. Conclusão

O desenvolvimento de materiais PPS altamente amortiguados é uma tentativa exploratória da Wolf Chemical no campo do PPS funcional. Partindo do design de materiais mais básicos, sem sacrificar as vantagens inerentes ao PPS, alcançámos uma melhoria significativa no desempenho de amortiguação - de 0,01 a 0,02 convencional para 0,20 a 0,35, aumentando mais de uma escala de quantidade.