Ha valaha is tartott a kezében egy elektronikai alkatrészt, amely túlélte a munkapadról való leesést, egy autó motorháztető alatti elektronikáját, amely kátyúkon és hőmérséklet-ingadozásokon fut át, vagy akár egy repülőgép-alkatrészt, amelyet turbulens levegőn repült át, akkor munka közben rezgéscsillapítást tapasztalt. A legtöbben nem gondolnak arra, hogy a csendes igásló lehetővé teszi ezt a tartósságot, de a nagy vibrációjú környezetekre tervező mérnökök számára az alkatrészek szilikon sokkal több, mint egyszerű tömítőanyag vagy töltőanyag – ez a megbízható rezgéskezelés gerince. Az autóipartól az ipari vezérlésekig terjedő iparágak támogatásában több évtizedes tapasztalattal rendelkező alkatrész-szilikon beszállítóként saját bőrömön tapasztaltam, hogy ez az anyag miként teljesít felülmúlja a többi opciót, de csak akkor, ha megérti, hogy egyedi tulajdonságai hogyan jelentenek valós rezgéscsillapító teljesítményt.
Kezdésként nézzük meg, miért olyan kritikus probléma a vibráció az elektronikus és mechanikai alkatrészeknél. Az útzaj, a motor működése vagy a légköri turbulencia okozta vibráció ciklikus feszültséget hoz létre az apró forrasztott kötéseken, a kényes érzékelőkön és az áramköri lapokon. Idővel ez a feszültség a fáradtság meghibásodásához vezet: a forrasztás megreped, a csatlakozók meglazulnak, és az érzékelők rosszul illeszkednek, még akkor is, ha az alkatrész soha nem melegszik túl vagy nem nedvesedik. Itt jönnek be a rezgéscsillapító anyagok: az a feladatuk, hogy elnyeljék ezt a ciklikus energiát, kis mennyiségű hővé alakítsák át, és ne sértsék meg az érzékeny részeket. A komponens szilikon molekulaszerkezete miatt egyedülállóan alkalmas erre: hosszú, rugalmas szilikon polimer láncok, amelyek törés nélkül nyúlhatnak és átirányulnak, párosulva alacsony üvegesedési hőmérséklettel (Tg), ami azt jelenti, hogy rugalmas marad hideg körülmények között is, ahol más anyagok megkeményednek és megrepednek.
Hasonlítsuk össze ezt a szokásos alternatív anyagokkal, hogy perspektívába helyezzük ezt. Az epoxik például merevek és jó szerkezeti támaszt nyújtanak, de magas Tg-jük azt jelenti, hogy fagypont alatti hőmérsékleten törékennyé válnak, és pont akkor válnak rossz rezgéscsillapítóvá, amikor télen olyan berendezések működnek, mint a mezőgazdasági gépek vagy a terepjárók. Az uretánok valamivel rugalmasabbak, mint az epoxik, de az UV-sugárzástól vagy a magas hőmérséklettől (például a 120 °C-os motorháztető alatti környezetben, amellyel sok autóalkatrész szembesül) lebomlanak, ami idővel a csillapítási teljesítmény csökkenéséhez vezet. A komponens szilikon viszont megőrzi rugalmasságát a -60°C és 200°C közötti hőmérséklet-tartományban számos készítmény esetében, ami pontosan az a tartomány, amelyben a legtöbb vibrációt jelentő alkalmazások működnek.
Most pedig térjünk rá a rezgéscsillapítás szempontjából lényeges teljesítménymutatókra. A kulcsszám itt a veszteségtangens (tan δ), amely az anyag rezgési energiát elosztó képességét méri. A 0,1 feletti tan δ érték azt jelenti, hogy az anyag hatékonyan csillapítja; A 0,3 feletti értékek azt jelentik, hogy nagyon hatékony. A legtöbb rezgéscsillapító szilikon komponens tan δ értéke 0,2 és 0,5 között van a működési hőmérsékleti tartományában, ami felülmúlja mind az epoxit (tipikusan tan δ < 0,1), mind pedig még sok speciális uretán rezgéscsillapító anyagot (amely szélsőséges hőmérsékleten gyakran 0,1 alá esik). Ez azt jelenti, hogy amikor egy szilikon bevonattal ellátott vagy lezárt alkatrész vibrációnak van kitéve, a ciklikus energia 20-50%-át elnyeli, ahelyett, hogy közvetlenül a belső részekre engedné át.
De nem csak az ömlesztett barnaság δ számít – a szilikon felhordásának módja óriási különbséget jelent. A kétkomponensű szilikon bevonó keverékek például egységes, feszültségmentes réteget képeznek az alkatrészek körül, amely ideális a teljes vibrációvédelemre szoruló áramköri lapok tokozásához. A miénkSO-820 szilikon cserepes keverék | UL 94 V-0 RTV tokozási anyag Tajvankifejezetten erre lett kifejlesztve: szobahőmérsékleten 0,35 barnulási értékű δ, zsugorodás nélkül keményedik (nagy plusz, mert a zsugorodás belső feszültséget hoz létre, ami az alkatrész meghibásodásához vezethet), és megfelel az UL 94 V-0 lángállósági követelménynek olyan alkalmazásokhoz, ahol a tűzbiztonság aggodalomra ad okot. Dolgoztam együtt egy autógyártóval, amely epoxigyanta helyett SO-820-ra váltott a motorvezérlő egységeinél (ECU), és 18 hónap alatt 70%-kal csökkent a szántóföldi vibrációval kapcsolatos meghibásodások száma. Az ok? A szilikon rugalmassága jobban passzolt az áramköri lapok hőtágulási együtthatójához (CTE), mint az epoxihoz, így az ECU működés közben felmelegedett és lehűlt, ahelyett, hogy feszültséget keltett volna a forrasztási kötéseken, együtt mozgott a lappal – miközben elnyelte az út és a motor vibrációját is, amely egyébként megrepedezné a csatlakozásokat.
Az olyan alkalmazásokhoz, amelyek nem igényelnek teljes tokozást, például tömítő érzékelők vagy csatlakozók, az egykomponensű RTV szilikonok gyakran a jobb választás. A miénkRtv-1 Alkoxi elektronikus szilikon tömítőanyagnedvességgel érintkezve megkeményedik, így könnyen felvihető a helyszínen vagy az összeszerelés során, barnulási δ értéke pedig 0,28 -40°C és 150°C között. Emlékszem egy mezőgazdasági gépiparban dolgozó ügyfelünkre, akinek problémái voltak a traktormotorok vibrációjával, ami megrázta a fordulatszám-érzékelőit. Olyan általános célú ragasztót használtak, amely egy hónapon belül merev réteggé keményedett, és az érzékelő elmozdult. Az RTV-1 alkoxi-szilikon tömítőanyagunkra cserélve hagyta, hogy az érzékelő kissé elmozduljon a vibráció hatására, miközben a szilikon csillapító tulajdonságai elnyelték a magas frekvenciájú motorzajt, amely meglazította a rögzítést. A váltás után nulla vibrációval kapcsolatos érzékelőhibáról számoltak be, amivel egyetlen betakarítási szezonban több mint 20 000 dollárt takarítottak meg a garanciális igényektől.
Egy másik elterjedt, vibrációt okozó alkalmazás az autóipari aljzat és karosszéria elektronika. A fehér autók hőátadó szilikon tömítőanyagai kettős célúak: tömítenek, elvezetik a hőt és a nedves vibrációt. A miénkFehér autóipari hőátadó szilikon tömítőanyaghővezető képessége 0,8 W/mK (sokkal magasabb, mint a szokásos szilikon tömítőanyagok, amelyek körülbelül 0,2 W/mK), plusz a tan δ 0,3 a tipikus motorháztető alatti hőmérsékleti tartományban. Az elektromos járművek akkumulátor-kezelő rendszereihez (BMS), ahol a modulok ki vannak téve az út vibrációjának, és állandó hőmérsékleten kell maradniuk, ez a tömítőanyag tökéletes: az akkumulátormodulokat az alvázhoz köti, elnyeli a rezgést, amely kifárasztaná a modul csatlakozásait, és elvezeti a töltés és kisütés során keletkező hőt. Egy induló elektromos járművek gyártójával dolgoztunk együtt, amely tesztelte ezt a tömítőanyagot egy versenytárs uretántermékével szemben a BMS-moduljaikon. 1000 órányi vibrációtesztet követően 10 g-on (az autóalkatrészek szabványa) a versenytárs uretánján mikrorepedések keletkeztek, amelyek lehetővé teszik a nedvesség bejutását, míg a szilikon tömítőanyagunk nem mutatott repedés jeleit, és megőrizte csillapító tulajdonságait.
De nem minden szilikon alkatrész egyforma a rezgéscsillapításhoz. Néhány kulcsfontosságú tényezőt figyelembe kell venni, amikor kiválasztja a megfelelő anyagot az alkalmazáshoz. Először is, a kikeményedés sebessége: ha gyorsan kell feldolgoznia az alkatrészeket, egy kétkomponensű rendszer, mint a miénk2 részes elektromos szilikon edénykeverékamely szobahőmérsékleten 15-30 perc alatt megköt, jobb, mint egy lassan kötő egyrészes rendszer. Ha a helyszínen végez javítást vagy nagy alkatrészeket alkalmaz, akkor a miénkhez hasonló egyrészes rendszertEgyrészes szilikon tömítőanyaghogy a 24 órán belüli gyógyulás praktikusabb lehet. Másodszor, a hőmérsékleti tartomány: ha az alkalmazás extrém hidegnek vagy melegnek lesz kitéve, győződjön meg arról, hogy a szilikon Tg-je a legalacsonyabb üzemi hőmérséklet alatt és a legmagasabb felett van. Sok gyenge minőségű szilikon Tg értéke -20°C körül van, ami azt jelenti, hogy ez alatt a hőmérsékleten megmerevednek, elveszítve csillapító képességüket. Minden rezgésközpontú készítményünk Tg-értéke -50°C alatt van, így még sarkvidéki vagy magaslati környezetben is rugalmasak maradnak.
Egy másik tényező, amelyet gyakran figyelmen kívül hagynak, az adhézió. A rezgéscsillapító csak akkor működik, ha megfelelően van rögzítve azokhoz az alkatrészekhez, amelyeket véd. Ha a szilikon elválik az áramköri laptól vagy a háztól, nem képes elnyelni az energiát, ami ugyanazt a meghibásodást okozza, mintha egyáltalán nincs lengéscsillapítója. Ez az oka annak, hogy az összes szilikon alkatrészünket olyan tapadásfokozókkal szereltük fel, amelyek olyan általános felületekhez vannak szabva, mint az FR-4 áramköri lapok, alumínium házak és műanyag burkolatok. Felületkezelési irányelveket is kínálunk a megfelelő ragasztás érdekében, mert még a legjobb anyag sem fog működni, ha nem megfelelően van felhordva.
Láttam olyan projekteket, ahol a mérnökök magasabb barnásságú δ szilikonra váltottak, de még mindig vibrációs hibákat tapasztaltak, mert nem készítették elő megfelelően a felületet, ami néhány hónapos használat után delaminációhoz vezetett. Ez egy egyszerű lépés, de óriási különbséget jelent a valós teljesítményben.
Beszéljünk a hosszú távú tartósságról is, mert a rezgéscsillapítás nem egyszeri dolog. Sok anyag idővel elveszíti csillapító tulajdonságait a környezeti expozíció miatt: UV-fény, vegyszerek vagy hőmérséklet-ciklus. A komponens szilikon, különösen a mi speciálisan kialakított minőségeink kiválóan ellenállnak ezeknek a tényezőknek. Például az SO-820 szilikon cserepes keveréket 10 éves kültéri expozícióra tesztelték, és még mindig megőrzi eredeti barnulási δ értékének 90%-át. Ez kritikus az olyan alkalmazásoknál, mint a távoli helyeken lévő ipari vezérlőpanelek, vagy a mezőgazdasági berendezések, amelyek pornak, nedvességnek és napsugárzásnak vannak kitéve. Egy bányászati ügyfelünk kétkomponensű elektromos szilikon öntőkeverékünket használta fúróberendezésekben használt érzékelőkre, amelyek -10°C és 80°C közötti hőmérsékleten üzemelnek, és állandó nagyfrekvenciás vibrációnak vannak kitéve. Három év terepen töltött év után ezeken az érzékelők meghibásodási aránya kevesebb, mint 0,5% volt, szemben azzal a 12%-kal, amikor uretán edénykeveréket használtak, amely a portól és a hőtől lebomlott.
Most átláthatóvá szeretnék tenni, hogy hol nem a szilikon komponens a legjobb választás. Ha merev szerkezeti kötésre van szüksége, vagy nagyon magas, 200 °C feletti hőmérsékletű alkalmazásokban dolgozik (ezek számára a kerámiával töltött epoxik vagy fémötvözetek jobbak), előfordulhat, hogy a szilikon komponens nem megfelelő. De a vibrációt jelentő alkalmazások 90%-ánál – autóelektronikánál, ipari vezérlőelemeknél, repülőgép-alkatrészeknél, mezőgazdasági berendezéseknél és még olyan fogyasztói elektronikai cikkeknél is, mint például az okostelefonok, amelyeket rendszeresen kidobnak – ez a legmegbízhatóbb és legköltséghatékonyabb megoldás. Előfordulhat, hogy az előzetes költség valamivel magasabb, mint az epoxiké vagy az általános ragasztóké, de a jótállási igények csökkenéséből adódó hosszú távú megtakarítások, a kevesebb helyszíni meghibásodás és az alkatrészek hosszabb élettartama miatt megéri a befektetést.
Ha olyan projekten dolgozik, ahol a rezgés problémát okoz, vagy frissíteni szeretné jelenlegi csillapítási megoldását, azt javasoljuk, hogy forduljon csapatunkhoz. Ügyfeleink százainak segítettünk iparágakban kiválasztani a megfelelő szilikon alkatrészt az adott rezgési, hőmérsékleti és alkalmazási igényeiknek megfelelően, és egyedi összetételeket, tesztelési támogatást és műszaki útmutatást tudunk biztosítani annak érdekében, hogy alkatrészei a legkeményebb körülmények között is megbízhatóak maradjanak.
Hivatkozások
- Landrock, AH (1995).Ragasztótechnikai kézikönyv(2. kiadás). William Andrew Kiadó.
- ASTM D4065 – 21, Szabványos vizsgálati módszer műanyagokhoz: Dinamikus mechanikai tulajdonságok: Szakító, hajlítás és ütés szobahőmérséklet feletti és alatti hőmérsékleten. ASTM International.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, Szabványos vizsgálati módszer a közlekedési elektronikai berendezések környezeti tesztelésére.
- Silva, MF és mtsai. (2005). Szilikon alapú kompozitok rezgéscsillapítási jellemzői autóipari alkalmazásokhoz.Polimer tesztelés, 24(7), 884–890.