延长汽车电子零部件寿命，先进防水透气技术是关键-电子工程世界

随着越来越多的机械部件被电子部件取代，以及驾驶员辅助系统的日益普及，汽车中的电子零部件数量正在迅速增加。这种趋势给汽车制造商及其供应商带来了更大的压力，促使其寻找有效方法来保护车内电子部件免受污染和密封失效的影响。确保这些电子元器件在汽车使用寿命内可靠运行是首要目标，这不仅是为了提高成本效益，同时有助于推广品牌的高品质形象及可靠性。

所有电子零部件，无论是压缩机、泵、电动机、控制单元还是日益普及的主动安全系统的传感器，在其整个寿命期内都会受到大幅温度波动的影响。当部件外壳在车辆运行过程中升温并与路面的低温溅射水或洗车水接触时，就会出现这种情况。这种温度波动会在电子设备外壳内形成显著的真空效应。由此产生的巨大压差可能会严重损坏保护敏感电子设备的密封圈和密封组件，从而导致污物颗粒和液体侵入，对电子部件产生腐蚀作用并缩短其使用寿命。受损或有缺陷的部件通常必须予以更换，这使得汽车制造商及其供应商的保修和维修成本提高。

电动车中电子设备和电池带来的挑战

汽车行业面临的一个重大挑战是电动车中高性能电子设备和电池的温度管理，原因在于，为了达到最佳性能，这些部件需要在一定的温度范围内工作。这些部件在运行时温度会变得非常高，需要使用液体进行冷却。但这样会使电子装置内部产生巨大温差，在外壳上温度最低的点形成凝露，从而造成腐蚀或引起短路。对于大型电池外壳而言，这个问题非常普遍，如不采取有效措施来均衡温度和压力，该问题难以解决。鉴于外壳的尺寸，即使较小的温差也会在外壳上产生足够的压力，导致其变形。在某些情况下，当车辆从温度较高的车库中驶出并进入寒冷露天环境时，外壳内部会形成真空，产生每平方米500千克的负压。轻薄型外壳几乎无法承受这样高的压力。

透气膜技术应对之道：实现空气和压力的均衡

原始设备制造商(OEM)解决这一挑战的方法通常有三种。第一种是灌封电子部件。尽管这种解决方案会形成完美的密封系统，但也会显著增加装置重量，而且发生故障时无法重新开启进行修理；形成牢固密封系统的另一种方法是采用优质密封圈和厚外壳壁。但这种系统的缺点是会提高部件成本和增加不必要的重量。

一种更合理的常用解决方案是采用透气膜，透气膜可以均衡外壳中的空气，同时也能防止液体和污物颗粒侵入。

如图1显示了密闭外壳内负压持续积聚的过程。在未采用防水透气产品的外壳上，经过几轮温度循环后，仅仅7kPa的压力就足以导致密封圈失效。而采用防水透气产品的外壳能够均衡压力，防止密封圈泄漏。

透气膜解决方案的重要特性：透气量和透水压

透气量和透水压是决定透气膜性能的两个基本参数。透气量是指给定时间和给定压差下穿过透气膜的空气量。借助透气量可确定均衡压差所需的时间。透水压是指透气膜发生泄漏前必须承受的最小静水压力。除其他因素外，这两个参数还都受透气膜孔径影响。透气膜供应商必须根据每种具体应用，提供具有最佳透气量和透水压参数组合的透气膜。

汽车行业面临的一个重大挑战是电子部件具有越来越小巧紧凑的发展趋势。这意味着，如果要将防水透气组件集成到更小的外壳上并使其发挥出最大效能，那么其尺寸也必须做得更小。这就要求透气膜表面每单位面积内的透气量更高，透气量越高，透水压也就越低，如图2所示。

通常情况下，系统的抗渗透性由其防护等级决定（遵照DIN 40050-9标准）。IP测试可确定电子部件外壳对固体和液体的防护等级。防护等级用两个数字进行定义：IPXY。第一个数字(X)表示固体异物防护等级，第二个数字(Y)表示液体防护等级。IPX9K显示了集成了透气膜的部件外壳暴露于高压水枪中时维持水密性的能力。

IPX9K测试在试验箱中进行，试验箱中放有集成了透气膜的外壳，外壳暴露在距离100至150mm远、角度为0、30、60和90度的高压喷嘴下。透气量维持在14至16l/min之间，透水压维持在8,000至10,000kPa之间，温度维持在80°C。

膨体聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜的耐化学性

戈尔采用聚四氟乙烯(PTFE)作为透气膜材料，该材料独特的微观结构使其特别适合防水透气应用。聚四氟乙烯(PTFE)原材料采用专门设计的工艺进行拉伸，产生的透气膜具有非常小的微孔，微孔中的节点通过纤维相互连接。由此而形成的材料称为膨体聚四氟乙烯（或ePTFE），该材料的低表面张力使其具有极强的疏水性（防水性），这意味着，落在其表面的任何水滴都无法穿过这种透气膜结构。这种膜还具有疏油性（抗油性），并且会排斥具有低表面张力的液体，例如油。膨体聚四氟乙烯(ePPFE)的疏油性对于汽车工业中的应用极其重要，因为汽车部件与机油、清洁剂或其他车用液体接触的可能性非常高。

戈尔测试了其防水透气解决方案对多达20种不同化学品的耐受能力（按照ISO 16750-5标准）。在测试中，防水透气产品被置于每一种测试液体中并在室温（21至23°C）下保持24小时，或者在烘箱中加热96小时。测试前和测试后会测量透气量和透水压。这两个参数的结果必须在规定的范围内，如图3所示。

测试结果：黑色水平线下方的数值表示对应的化学品已损坏透气膜。接受测试透气膜只是当浸润于防腐剂或除腐剂中时防护能力有限，但对于所有其他测试化学品，其测试结果都符合规定的标准。

ePTFE薄膜的耐温性

ePTFE的另一个优点是它对极端温度具有极高的耐受性。它能够耐受的温度范围为-150°C至240°C，这一特性对于当前既要减小发动机体积又要保持甚至提高其性能的趋势而言非常重要。以这种方式缩减发动机体积通常会使温度超过125°C的极限值，而该值却是目前电子部件外壳能够应付的极限温度。温度达到150°C或更高的情况已不罕见。

戈尔通过多种测试来测定其防水透气产品对极端温度的耐受能力（遵照ISO 16750-4标准）。在耐温测试中，防水透气产品被置于最高达150°C的温度下并保持2,000小时，或者在最低为-40°C的温度下保持1,000小时。在浸冰水测试中，防水透气产品被装到密封外壳上，在烘箱中以80至120°C的温度加热并保持40至60分钟。然后将外壳放进含5%氯化钠的冰水中（用该溶液来模拟冬季电子部件外壳可能接触到的盐水），使其迅速冷却到0至4°C之间。此过程会重复10至20次，并且测试前和测试后会测量防水透气产品的透气性能。

根据特定应用配置不同的透气膜解决方案

根据每一个特定应用及其要求选择合适的透气膜至关重要。戈尔提供背胶式、焊接式和注塑式防水透气产品。戈尔背胶式防水透气产品涂有高性能背胶，可以紧紧粘附在各种类型的金属和塑料表面。此类产品供货时提供微粘性的底带，便于手动或自动安装。背胶持久耐用，能够耐受严苛环境。

不过，由于背胶抵抗极端高温和强腐蚀性化学品的能力有限，因此这类防水透气产品不太适合在发动机舱内使用。它们设计用于汽车中不太可能接触化学液体的部件，例如汽车车灯就是一个典型应用。对于引擎盖中的高要求应用，必须谨慎使用，因为并非所有的背胶式防水透气产品都能耐受极端高温和强腐蚀性化学品。

焊接式防水透气产品可按不同的材料组合和尺寸进行制造，能够满足目标应用的各种特殊要求。它们主要用于具有塑料外壳的应用中，由客户采用超声波焊接法进行安装。在焊缝处，外壳材料的一小部分会熔化并流入透气膜的微孔结构中，这可确保接合处密封且牢固。由于聚四氟乙烯(PTFE) 的熔点远高于焊接温度，因此该过程不会损伤透气膜。即使暴露于高温和强腐蚀性化学品中，这些防水透气产品也能够提供持久可靠的解决方案。但是，焊接过程非常复杂，需要由合格专家使用专用焊接工具来完成。此外，为使防水透气产品免受高压水枪和机械载荷的影响，外壳设计必须有保护透气膜的结构，这样增加了工艺成本和复杂性。

注塑式防水透气产品不仅能耐受最具挑战性的环境条件，而且易于安装。这是由于戈尔在制造工艺中增加了一个步骤。例如，嵌入注塑成型是一种将透气膜直接集成到塑料部件中的注塑成型工艺。注塑式防水透气产品可以很方便地以卡扣方式安装到外壳的开口上。这可使透气膜免受机械载荷的影响，并且无需将昂贵复杂的防护壁集成到外壳中。而且，安装此类防水透气产品无需专门机器和合格专家：只需采用“即插即用”方式即可方便地安装此类防水透气产品。

戈尔品质承诺：定制的防水透气解决方案

为确保每一套防水透气解决方案都符合正确的规范要求，并且根据目标应用进行了必要的测试，戈尔在早期阶段便参与客户的产品研发。客户的所有需求确定后，戈尔将从其产品组合中选择最适合的产品，如果必须满足某些特殊需求，戈尔还可按照客户要求为其定制解决方案。通过这种方式，戈尔公司能够顺利地与OEM和汽车供应商展开合作，以开发定制的防水透气解决方案，这些解决方案不仅符合当前标准，而且还考虑了将来的需求，可实现汽车电子零部件对污物和密封失效的有效防护，极大地延长使用寿命。

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