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作者:Rainer Enggruber AND Manfred Wittmann 隨著越來越多的機械部件被電子部件取代，以及駕駛員輔助系統的日益普及，汽車中的電子零部件數量正在迅速增加。這種趨勢給汽車制造商及其供應商帶來了更大的壓力，促使其尋找有效方法來保護車內電子部件免受污染和密封失效的影響。確保這些電子元器件在汽車使用壽命內可靠運行是首要目標，這不僅是為了提高成本效益，同時有助于推廣品牌的高品質形象及可靠性。 所有電子零部件，無論是壓縮機、泵、電動機、控制單元還是日益普及的主動安全系統的傳感器，在其整個壽命期內都會受到大幅溫度波動的影響。當部件外殼在車輛運行過程中升溫并與路面的低溫濺射水或洗車水接觸時，就會出現這種情況。這種溫度波動會在電子設備外殼內形成顯著的真空效應。由此產生的巨大壓差可能會嚴重損壞保護敏感電子設備的密封圈和密封組件，從而導致污物顆粒和液體侵入，對電子部件產生腐蝕作用并縮短其使用壽命。受損或有缺陷的部件通常必須予以更換，這使得汽車制造商及其供應商的保修和維修成本提高。 電動車中電子設備和電池帶來的挑戰 汽車行業面臨的一個重大挑戰是電動車中高性能電子設備和電池的溫度管理，原因在于，為了達到最佳性能，這些部件需要在一定的溫度范圍內工作。這些部件在運行時溫度會變得非常高，需要使用液體進行冷卻。但這樣會使電子裝置內部產生巨大溫差，在外殼上溫度最低的點形成凝露，從而造成腐蝕或引起短路。對于大型電池外殼而言，這個問題非常普遍，如不采取有效措施來均衡溫度和壓力，該問題難以解決。鑒于外殼的尺寸，即使較小的溫差也會在外殼上產生足夠的壓力，導致其變形。在某些情況下，當車輛從溫度較高的車庫中駛出并進入寒冷露天環境時，外殼內部會形成真空，產生每平方米500千克的負壓。輕薄型外殼幾乎無法承受這樣高的壓力。 透氣膜技術應對之道：實現空氣和壓力的均衡 原始設備制造商(OEM)解決這一挑戰的方法通常有三種。第一種是灌封電子部件。盡管這種解決方案會形成完美的密封系統，但也會顯著增加裝置重量，而且發生故障時無法重新開啟進行修理；形成牢固密封系統的另一種方法是采用優質密封圈和厚外殼壁。但這種系統的缺點是會提高部件成本和增加不必要的重量。 一種更合理的常用解決方案是采用透氣膜，透氣膜可以均衡外殼中的空氣，同時也能防止液體和污物顆粒侵入。 
如圖1顯示了密閉外殼內負壓持續積聚的過程。在未采用防水透氣產品的外殼上，經過幾輪溫度循環后，僅僅7kPa的壓力就足以導致密封圈失效。而采用防水透氣產品的外殼能夠均衡壓力，防止密封圈泄漏。 透氣膜解決方案的重要特性：透氣量和透水壓 透氣量和透水壓是決定透氣膜性能的兩個基本參數。透氣量是指給定時間和給定壓差下穿過透氣膜的空氣量。借助透氣量可確定均衡壓差所需的時間。透水壓是指透氣膜發生泄漏前必須承受的最小靜水壓力。除其他因素外，這兩個參數還都受透氣膜孔徑影響。透氣膜供應商必須根據每種具體應用，提供具有最佳透氣量和透水壓參數組合的透氣膜。 汽車行業面臨的一個重大挑戰是電子部件具有越來越小巧緊湊的發展趨勢。這意味著，如果要將防水透氣組件集成到更小的外殼上并使其發揮出最大效能，那么其尺寸也必須做得更小。這就要求透氣膜表面每單位面積內的透氣量更高，透氣量越高，透水壓也就越低，如圖2所示。
通常情況下，系統的抗滲透性由其防護等級決定（遵照DIN 40050-9標準）。IP測試可確定電子部件外殼對固體和液體的防護等級。防護等級用兩個數字進行定義：IPXY。第一個數字(X)表示固體異物防護等級，第二個數字(Y)表示液體防護等級。IPX9K顯示了集成了透氣膜的部件外殼暴露于高壓水槍中時維持水密性的能力。 IPX9K測試在試驗箱中進行，試驗箱中放有集成了透氣膜的外殼，外殼暴露在距離100至150mm遠、角度為0、30、60和90度的高壓噴嘴下。透氣量維持在14至16l/min之間，透水壓維持在8,000至10,000kPa之間，溫度維持在80°C。 膨體聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜的耐化學性 戈爾采用聚四氟乙烯(PTFE)作為透氣膜材料，該材料獨特的微觀結構使其特別適合防水透氣應用。聚四氟乙烯(PTFE)原材料采用專門設計的工藝進行拉伸，產生的透氣膜具有非常小的微孔，微孔中的節點通過纖維相互連接。由此而形成的材料稱為膨體聚四氟乙烯（或ePTFE），該材料的低表面張力使其具有極強的疏水性（防水性），這意味著，落在其表面的任何水滴都無法穿過這種透氣膜結構。這種膜還具有疏油性（抗油性），并且會排斥具有低表面張力的液體，例如油。膨體聚四氟乙烯(ePPFE)的疏油性對于汽車工業中的應用極其重要，因為汽車部件與機油、清潔劑或其他車用液體接觸的可能性非常高。 戈爾測試了其防水透氣解決方案對多達20種不同化學品的耐受能力（按照ISO 16750-5標準）。在測試中，防水透氣產品被置于每一種測試液體中并在室溫（21至23°C）下保持24小時，或者在烘箱中加熱96小時。測試前和測試后會測量透氣量和透水壓。這兩個參數的結果必須在規定的范圍內，如圖3所示。
測試結果：黑色水平線下方的數值表示對應的化學品已損壞透氣膜。接受測試透氣膜只是當浸潤于防腐劑或除腐劑中時防護能力有限，但對于所有其他測試化學品，其測試結果都符合規定的標準。 ePTFE薄膜的耐溫性 ePTFE的另一個優點是它對極端溫度具有極高的耐受性。它能夠耐受的溫度范圍為-150°C至240°C，這一特性對于當前既要減小發動機體積又要保持甚至提高其性能的趨勢而言非常重要。以這種方式縮減發動機體積通常會使溫度超過125°C的極限值，而該值卻是目前電子部件外殼能夠應付的極限溫度。溫度達到150°C或更高的情況已不罕見。 戈爾通過多種測試來測定其防水透氣產品對極端溫度的耐受能力（遵照ISO 16750-4標準）。在耐溫測試中，防水透氣產品被置于最高達150°C的溫度下并保持2,000小時，或者在最低為-40°C的溫度下保持1,000小時。在浸冰水測試中，防水透氣產品被裝到密封外殼上，在烘箱中以80至120°C的溫度加熱并保持40至60分鐘。然后將外殼放進含5%氯化鈉的冰水中（用該溶液來模擬冬季電子部件外殼可能接觸到的鹽水），使其迅速冷卻到0至4°C之間。此過程會重復10至20次，并且測試前和測試后會測量防水透氣產品的透氣性能。
根據特定應用配置不同的透氣膜解決方案 根據每一個特定應用及其要求選擇合適的透氣膜至關重要。戈爾提供背膠式、焊接式和注塑式防水透氣產品。戈爾背膠式防水透氣產品涂有高性能背膠，可以緊緊粘附在各種類型的金屬和塑料表面。此類產品供貨時提供微粘性的底帶，便于手動或自動安裝。背膠持久耐用，能夠耐受嚴苛環境。 不過，由于背膠抵抗極端高溫和強腐蝕性化學品的能力有限，因此這類防水透氣產品不太適合在發動機艙內使用。它們設計用于汽車中不太可能接觸化學液體的部件，例如汽車車燈就是一個典型應用。對于引擎蓋中的高要求應用，必須謹慎使用，因為并非所有的背膠式防水透氣產品都能耐受極端高溫和強腐蝕性化學品。 焊接式防水透氣產品可按不同的材料組合和尺寸進行制造，能夠滿足目標應用的各種特殊要求。它們主要用于具有塑料外殼的應用中，由客戶采用超聲波焊接法進行安裝。在焊縫處，外殼材料的一小部分會熔化并流入透氣膜的微孔結構中，這可確保接合處密封且牢固。由于聚四氟乙烯(PTFE) 的熔點遠高于焊接溫度，因此該過程不會損傷透氣膜。即使暴露于高溫和強腐蝕性化學品中，這些防水透氣產品也能夠提供持久可靠的解決方案。但是，焊接過程非常復雜，需要由合格專家使用專用焊接工具來完成。此外，為使防水透氣產品免受高壓水槍和機械載荷的影響，外殼設計必須有保護透氣膜的結構，這樣增加了工藝成本和復雜性。
注塑式防水透氣產品不僅能耐受最具挑戰性的環境條件，而且易于安裝。這是由于戈爾在制造工藝中增加了一個步驟。例如，嵌入注塑成型是一種將透氣膜直接集成到塑料部件中的注塑成型工藝。注塑式防水透氣產品可以很方便地以卡扣方式安裝到外殼的開口上。這可使透氣膜免受機械載荷的影響，并且無需將昂貴復雜的防護壁集成到外殼中。而且，安裝此類防水透氣產品無需專門機器和合格專家：只需采用“即插即用”方式即可方便地安裝此類防水透氣產品。 |
