Dacă ați ținut vreodată în mână o piesă electronică care a supraviețuit unei căderi de pe un banc de lucru, electronicele de sub capota unei mașini care trec prin gropi și schimbări de temperatură sau chiar o componentă aerospațială care a zburat prin aer turbulent, ați experimentat amortizarea vibrațiilor la locul de muncă. Majoritatea oamenilor nu se gândesc la calul de lucru liniștit care face posibilă această durabilitate, dar pentru inginerii care proiectează medii cu vibrații ridicate, siliconul pentru componente este mult mai mult decât un simplu etanșant sau material de umplutură - este coloana vertebrală a gestionării fiabile a vibrațiilor. În calitate de furnizor de componente siliconice cu zeci de ani de experiență în susținerea industriilor de la automotive la controale industriale, am văzut direct cum acest material depășește alte opțiuni, dar numai atunci când înțelegeți cum proprietățile sale unice se traduc în performanța de amortizare a vibrațiilor din lumea reală.
Pentru început, să dezvăluim de ce vibrațiile sunt o problemă atât de critică pentru componentele electronice și mecanice. Vibrațiile - indiferent dacă sunt cauzate de zgomotul drumului, funcționarea motorului sau turbulențele atmosferice - creează stres ciclic asupra îmbinărilor lipite minuscule, senzorilor delicati și plăcilor de circuite. De-a lungul timpului, această solicitare duce la defecțiunea prin oboseală: fisurile de lipire, conectorii se slăbesc și senzorii nu se aliniază, chiar dacă componenta nu supratemperează niciodată sau se udă. Aici intervin materialele de amortizare a vibrațiilor: sarcina lor este să absoarbă acea energie ciclică, să o transforme într-o cantitate mică de căldură și să o împiedice să deterioreze părțile sensibile. Componenta de silicon este potrivită în mod unic pentru aceasta datorită structurii sale moleculare: lanțuri lungi și flexibile de polimeri siliconici care se pot întinde și reorienta fără a se rupe, asociate cu o temperatură scăzută de tranziție sticloasă (Tg), ceea ce înseamnă că rămâne flexibil chiar și în condiții reci, unde alte materiale se întăresc și crapă.
Să comparăm asta cu materialele alternative comune pentru a pune acest lucru în perspectivă. Epoxicile, de exemplu, sunt rigide și oferă un suport structural bun, dar Tg-ul lor ridicat înseamnă că devin fragile la temperaturi sub zero, transformându-se într-un amortizor slab de vibrații exact atunci când echipamente precum mașinile agricole sau vehiculele de teren funcționează iarna. Uretanii sunt puțin mai flexibili decât epoxicile, dar se pot degrada din cauza expunerii la UV sau a temperaturilor ridicate (cum ar fi mediul de sub capotă de 120°C cu care se confruntă multe componente ale autovehiculelor), ceea ce duce la o pierdere a performanței de amortizare în timp. Pe de altă parte, siliconul component își menține flexibilitatea într-un interval de temperatură de la -60°C la 200°C pentru multe formulări, care este exact domeniul în care operează majoritatea aplicațiilor cu vibrații grele.
Acum, să intrăm în valorile specifice de performanță care contează pentru amortizarea vibrațiilor. Numărul cheie aici este tangenta de pierdere (tan δ), care măsoară capacitatea unui material de a disipa energia vibrațională. O valoare tan δ peste 0,1 înseamnă că un material este eficient la amortizare; valorile de peste 0,3 înseamnă că este foarte eficient. Majoritatea siliconilor componente pentru amortizarea vibrațiilor au un tan δ între 0,2 și 0,5 în intervalul lor de temperatură de funcționare, care depășește atât epoxicile (de obicei tan δ < 0,1) și chiar multe materiale de amortizare a vibrațiilor din uretan specializate (care coboară adesea sub 0,1 la temperaturi extreme). Aceasta înseamnă că, atunci când o componentă înghițită sau etanșată cu silicon este expusă la vibrații, absoarbe 20-50% din acea energie ciclică, în loc să o lase să se transfere direct în părțile interne.
Dar nu doar bronzul δ este cel care contează - modul în care este aplicat siliconul face o diferență uriașă. De exemplu, compușii din silicon cu două componente se întăresc pentru a forma un strat uniform, fără stres în jurul componentelor, ceea ce este ideal pentru încapsularea plăcilor de circuite care au nevoie de protecție totală împotriva vibrațiilor. NoastreSO-820 compus siliconic pentru ghiveci | Material de încapsulare UL 94 V-0 RTV Taiwaneste formulat special pentru aceasta: are un bronz δ de 0,35 la temperatura camerei, se întărește fără contracție (un mare plus deoarece contracția creează stres intern care poate duce la defectarea componentelor) și îndeplinește UL 94 V-0 rezistența la flacără pentru aplicațiile în care siguranța la incendiu este o problemă. Am lucrat cu un producător de automobile care a trecut de la ghiveciul epoxidic la SO-820 pentru unitățile de control al motorului (ECU) și am observat o scădere cu 70% a defecțiunilor legate de vibrații în câmp în decurs de 18 luni. Motivul? Flexibilitatea siliconului s-a potrivit cu coeficientul de dilatare termică (CTE) al materialelor plăcii de circuite mai bine decât epoxidice, astfel încât, pe măsură ce ECU s-a încălzit și s-a răcit în timpul funcționării, s-a deplasat cu placa în loc să creeze stres pe îmbinările de lipit - în timp ce a absorbit și vibrațiile drumului și ale motorului care, altfel, ar sparge conexiunile.
Pentru aplicațiile care nu necesită încapsulare completă, cum ar fi senzorii de etanșare sau conectorii, siliconii RTV cu o singură componentă sunt adesea cea mai bună alegere. NoastreSigilant siliconic electronic Alkoxy Rtv-1se întărește la contactul cu umiditatea, ușurând aplicarea la fața locului sau în timpul asamblării și are un bronz δ de 0,28 la -40°C până la 150°C. Îmi amintesc de un client din industria echipamentelor agricole care avea probleme cu vibrațiile de la motoarele de tractor care își scuturau senzorii de viteză. Foloseau un adeziv de uz general care s-a întărit într-un strat rigid în decurs de o lună, iar senzorul se va schimba. Schimbarea la etanșantul nostru de silicon alcoxi RTV-1 a lăsat senzorul să se miște ușor odată cu vibrația, în timp ce proprietățile de amortizare ale siliconului au absorbit zgomotul de înaltă frecvență al motorului care slăbi suportul. Ei au raportat zero defecțiuni ale senzorului legate de vibrații după comutare, ceea ce le-a economisit peste 20.000 USD în revendicări de garanție într-un singur sezon de recoltare.
O altă aplicație comună cu vibrații grele este subcapota auto și electronicele caroseriei. Sigilanții albi din silicon cu transfer de căldură pentru automobile au un scop dublu: etanșează, disipă căldura și umed vibrațiile. NoastreEtanșant siliconic alb pentru transfer de căldură pentru automobileare o conductivitate termică de 0,8 W/mK (mult mai mare decât etanșanții standard cu silicon, care sunt în jur de 0,2 W/mK) plus un tan δ de 0,3 în intervalul tipic de temperatură de sub capotă. Pentru sistemele de management al bateriei pentru vehicule electrice (BMS), unde modulele sunt expuse la vibrațiile drumului și trebuie să rămână la o temperatură constantă, acest material de etanșare este perfect: leagă modulele bateriei de șasiu, absoarbe vibrațiile care ar obosi conexiunile modulelor și elimină căldura generată în timpul încărcării și descărcării. Am lucrat cu un producător de vehicule electrice care a testat acest material de etanșare împotriva unui produs de uretan al unui concurent pe modulele lor BMS. După 1.000 de ore de testare a vibrațiilor la 10 g (un standard pentru componentele auto), uretanul concurentului a dezvoltat microfisuri care au permis pătrunderea umezelii, în timp ce etanșantul nostru siliconic nu a arătat semne de crăpare și și-a menținut proprietățile de amortizare.
Dar nu toate siliconurile componente sunt create egale pentru amortizarea vibrațiilor. Există câțiva factori cheie de care trebuie să luați în considerare atunci când alegeți materialul potrivit pentru aplicația dvs. În primul rând, viteza de întărire: dacă aveți nevoie să procesați rapid piesele, un sistem cu două componente precum nostruCompus electric pentru ghiveci din silicon din 2 părțicare se întărește în 15-30 de minute la temperatura camerei este mai bine decât un sistem monocomponent cu întărire lentă. Dacă reparați la fața locului sau aplicați la piese mari, un sistem dintr-o singură piesă ca al nostruSigilant siliconic dintr-o partecă remediile în 24 de ore ar putea fi mai practice. În al doilea rând, intervalul de temperatură: dacă aplicația dvs. va fi expusă la frig sau căldură extremă, asigurați-vă că Tg-ul siliconului este sub cea mai scăzută temperatură de funcționare și peste cea mai ridicată. Multe silicone cu componente de calitate scăzută au valori Tg în jur de -20°C, ceea ce înseamnă că devin rigide la temperaturi sub aceasta, pierzându-și capacitatea de amortizare. Toate formulările noastre concentrate pe vibrații au valori Tg sub -50°C, astfel încât rămân flexibile chiar și în medii arctice sau de mare altitudine.
Un alt factor care este adesea trecut cu vederea este aderența. Un amortizor de vibrații funcționează numai dacă este lipit corespunzător de componentele pe care le protejează. Dacă siliconul se separă de placa de circuite sau carcasă, acesta nu poate absorbi energie, ceea ce duce la aceeași defecțiune ca și fără amortizor deloc. De aceea, toate componentele noastre siliconice sunt formulate cu promotori de aderență adaptați pentru substraturi comune, cum ar fi plăcile de circuite FR-4, carcasele din aluminiu și carcasele din plastic. De asemenea, oferim linii directoare pentru tratarea suprafeței pentru a asigura o lipire adecvată, deoarece nici cel mai bun material nu va funcționa dacă este aplicat incorect.
Am văzut proiecte în care inginerii au trecut la un silicon δ cu un bronz mai mare, dar au avut încă defecțiuni de vibrație, deoarece nu au pregătit corect suprafața, ceea ce a dus la delaminare după câteva luni de utilizare. Este un pas simplu, dar face o diferență uriașă în performanța din lumea reală.
Să vorbim și despre durabilitatea pe termen lung, deoarece amortizarea vibrațiilor nu este un lucru unic. Multe materiale își pierd proprietățile de amortizare în timp din cauza expunerii mediului: lumină UV, substanțe chimice sau cicluri de temperatură. Silicoanele componente, în special gradele noastre special formulate, au o rezistență excelentă la acești factori. De exemplu, compusul siliconic pentru ghiveci SO-820 a fost testat la 10 ani de expunere în aer liber și încă păstrează 90% din bronzul original δ. Acest lucru este esențial pentru aplicații precum panourile de control industriale din locații îndepărtate sau echipamentele agricole care sunt expuse la praf, umiditate și UV din cauza expunerii la soare. Un client din industria minieră a folosit compusul nostru electric de ghiveci din silicon din două părți pe senzori utilizați în echipamentele de foraj, care funcționează la temperaturi cuprinse între -10°C și 80°C și este expus la vibrații constante de înaltă frecvență. După trei ani pe teren, rata lor de eșec la acești senzori a fost mai mică de 0,5%, comparativ cu 12% atunci când au folosit un compus din ghiveci cu uretan care s-a degradat de la praf și căldură.
Acum, vreau să fiu transparent în cazul în care siliconul component ar putea să nu fie cea mai bună alegere. Dacă aveți nevoie de o legătură structurală rigidă sau lucrați în aplicații la temperaturi foarte ridicate peste 200°C (pentru acestea, epoxicile umplute cu ceramică sau aliajele metalice sunt mai bune), siliconul component ar putea să nu fie potrivit. Dar pentru 90% din aplicațiile cu vibrații intense - electronice auto, comenzi industriale, componente aerospațiale, echipamente agricole și chiar electronice de larg consum, cum ar fi smartphone-urile, care sunt abandonate în mod regulat - este cea mai fiabilă și mai rentabilă opțiune. Costul inițial ar putea fi puțin mai mare decât epoxicile sau adezivii generali, dar economiile pe termen lung din cererile de garanție reduse, mai puține defecțiuni pe teren și durata de viață mai lungă a componentelor fac ca investiția să merite din plin.
Dacă lucrați la un proiect în care vibrațiile reprezintă o problemă sau doriți să vă actualizați soluția actuală de amortizare, vă încurajez să contactați echipa noastră. Am ajutat sute de clienți din industrii să aleagă componenta potrivită de silicon pentru nevoile lor specifice de vibrații, temperatură și aplicații și putem oferi formulări personalizate, asistență pentru testare și îndrumare tehnică pentru a ne asigura că componentele dumneavoastră rămân fiabile chiar și în cele mai dificile condiții.
Referințe
- Landrock, AH (1995).Manual de tehnologie adezivilor(ed. a II-a). Editura William Andrew.
- ASTM D4065 – 21, Metoda de testare standard pentru materiale plastice: Proprietăți mecanice dinamice: tracțiune, încovoiere și impact la temperaturi peste și sub temperatura camerei. ASTM International.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, Metoda de testare standard pentru testarea de mediu a echipamentelor electronice de transport.
- Silva, MF, et al. (2005). Caracteristicile de amortizare a vibrațiilor ale compozitelor pe bază de silicon pentru aplicații auto.Testarea polimerilor, 24(7), 884–890.