Ak ste niekedy držali kus elektroniky, ktorá prežila pád z pracovného stola, elektroniku pod kapotou auta, ktorá prechádza výmoľmi a teplotnými výkyvmi, alebo dokonca letecký komponent, ktorý prúdi turbulentným vzduchom, pri práci ste zažili tlmenie vibrácií. Väčšina ľudí si nemyslí, že tichý pracant umožňuje túto odolnosť, ale pre inžinierov, ktorí navrhujú prostredie s vysokými vibráciami, je komponentný silikón oveľa viac než len tmel alebo plnivo – je to chrbtica spoľahlivého riadenia vibrácií. Ako dodávateľ silikónových komponentov s desiatkami rokov skúseností s podporou priemyselných odvetví od automobilového až po priemyselné ovládacie prvky som na vlastnej koži videl, ako tento materiál prekonáva iné možnosti, ale iba vtedy, keď pochopíte, ako sa jeho jedinečné vlastnosti premietajú do skutočného výkonu tlmenia vibrácií.
Na začiatok si povedzme, prečo sú vibrácie takým kritickým problémom pre elektronické a mechanické komponenty. Vibrácie – či už z hluku na ceste, chodu motora alebo atmosférických turbulencií – vytvárajú cyklické namáhanie malých spájkovaných spojov, jemných snímačov a dosiek plošných spojov. Časom toto namáhanie vedie k zlyhaniu pri únave: spájka praskne, konektory sa uvoľnia a senzory nesprávne zarovnajú, aj keď sa komponent nikdy neprehreje alebo nezmokne. Tu prichádzajú na rad materiály tlmiace vibrácie: ich úlohou je absorbovať túto cyklickú energiu, premeniť ju na malé množstvo tepla a zabrániť jej poškodeniu citlivých častí. Komponentný silikón je na to jedinečne vhodný vďaka svojej molekulárnej štruktúre: dlhé, flexibilné reťazce silikónového polyméru, ktoré sa môžu natiahnuť a preorientovať bez toho, aby sa zlomili, spárované s nízkou teplotou skleného prechodu (Tg), čo znamená, že zostáva flexibilný aj v chladných podmienkach, keď iné materiály tvrdnú a praskajú.
Porovnajme to s bežnými alternatívnymi materiálmi, aby sme to dali na pravú mieru. Napríklad epoxidy sú tuhé a ponúkajú dobrú štrukturálnu podporu, ale ich vysoká Tg znamená, že pri teplotách pod bodom mrazu skrehnú a zmenia sa na slabý tlmič vibrácií presne vtedy, keď zariadenia ako poľnohospodárske stroje alebo terénne vozidlá pracujú v zime. Uretány sú o niečo pružnejšie ako epoxidy, ale môžu degradovať vystavením UV žiareniu alebo vysokým teplotám (ako je prostredie pod kapotou 120 °C, ktorému čelí mnoho automobilových komponentov), čo vedie k strate tlmiaceho výkonu v priebehu času. Komponentný silikón si na druhej strane zachováva svoju flexibilitu v teplotnom rozsahu od -60 °C do 200 °C pre mnohé formulácie, čo je presne rozsah, v ktorom pracuje väčšina aplikácií s vysokými vibráciami.
Teraz sa pozrime na konkrétne metriky výkonu, ktoré sú dôležité pre tlmenie vibrácií. Kľúčovým číslom je stratová tangenta (tan δ), ktorá meria schopnosť materiálu rozptýliť vibračnú energiu. Hodnota tan δ nad 0,1 znamená, že materiál je účinný pri tlmení; hodnoty nad 0,3 znamenajú, že je vysoko účinný. Väčšina komponentových silikónov na tlmenie vibrácií má hodnotu tan δ medzi 0,2 a 0,5 v celom rozsahu ich prevádzkových teplôt, čím prevyšuje epoxidy (zvyčajne tan δ < 0,1) a dokonca aj mnohé špecializované uretánové materiály na tlmenie vibrácií (ktoré pri extrémnych teplotách často klesajú pod 0,1). To znamená, že keď je komponent zaliaty alebo utesnený komponentom silikónom vystavený vibráciám, absorbuje 20 – 50 % tejto cyklickej energie, namiesto toho, aby ju nechal preniesť priamo do vnútorných častí.
Nie je to však len objemové opálenie δ, na čom záleží – spôsob aplikácie silikónu je obrovský rozdiel. Napríklad dvojzložkové silikónové zalievacie hmoty vytvrdzujú a vytvárajú okolo komponentov rovnomernú vrstvu bez napätia, ktorá je ideálna na zapuzdrenie dosiek plošných spojov, ktoré potrebujú úplnú ochranu pred vibráciami. nášSO-820 silikónová zalievacia hmota | Materiál zapuzdrenia UL 94 V-0 RTV Taiwanje formulovaný špeciálne na tento účel: má tan δ 0,35 pri izbovej teplote, vytvrdzuje bez zmršťovania (veľké plus, pretože zmršťovanie vytvára vnútorné napätie, ktoré môže viesť k zlyhaniu komponentov) a spĺňa UL 94 V-0 odolnosť voči plameňu pre aplikácie, kde je problémom požiarna bezpečnosť. Pracoval som s výrobcom automobilov, ktorý prešiel z epoxidového zalievania na SO-820 pre svoje riadiace jednotky motora (ECU) a zaznamenal 70% pokles porúch súvisiacich s vibráciami na poli počas 18 mesiacov. Dôvod? Pružnosť silikónu zodpovedala koeficientu tepelnej rozťažnosti (CTE) materiálov dosky plošných spojov lepšie ako epoxidu, takže keď sa ECU počas prevádzky zahrievala a ochladzovala, pohybovala sa s doskou namiesto toho, aby vytvárala namáhanie spájkovaných spojov – a zároveň absorbovala vibrácie vozovky a motora, ktoré by inak praskli spoje.
Pre aplikácie, ktoré nepotrebujú úplné zapuzdrenie, ako sú tesniace senzory alebo konektory, sú často lepšou voľbou jednozložkové RTV silikóny. nášAlkoxy elektronický silikónový tmel Rtv-1vytvrdzuje pri kontakte s vlhkosťou, čo uľahčuje aplikáciu na mieste alebo počas montáže a má tan δ 0,28 pri teplote -40 °C až 150 °C. Spomínam si na klienta z odvetvia poľnohospodárskych zariadení, ktorý mal problémy s vibráciami z motorov traktorov, ktoré uvoľnili snímače rýchlosti. Používali lepidlo na všeobecné použitie, ktoré za mesiac vytvrdlo na tuhú vrstvu a snímač sa posunul. Výmena za náš alkoxy silikónový tmel RTV-1 umožnila snímaču mierne sa pohybovať s vibráciami, zatiaľ čo tlmiace vlastnosti silikónu pohlcovali vysokofrekvenčný hluk motora, ktorý uvoľňoval uchytenie. Po prepnutí hlásili nulové zlyhania snímačov súvisiace s vibráciami, čo im ušetrilo viac ako 20 000 dolárov na záručných nárokoch za jednu sezónu zberu.
Ďalšou bežnou aplikáciou s vysokými vibráciami je automobilová elektronika pod kapotou a karosériou. Biele automobilové silikónové tmely na prenos tepla sú dvojúčelové: tesnia, odvádzajú teplo a tlmia vibrácie. nášBiely silikónový tmel pre automobilový prenos teplamá tepelnú vodivosť 0,8 W/mK (oveľa vyššiu ako štandardné silikónové tmely, ktoré sú okolo 0,2 W/mK) plus tan δ 0,3 v rámci typického teplotného rozsahu pod kapotou. Pre systémy riadenia batérií elektrických vozidiel (BMS), kde sú moduly vystavené vibráciám na ceste a potrebujú zostať pri konštantnej teplote, je tento tmel dokonalý: spája moduly batérie so šasi, absorbuje vibrácie, ktoré by unavili spoje modulov, a odvádza teplo vznikajúce počas nabíjania a vybíjania. Spolupracovali sme so začínajúcim výrobcom elektromobilov, ktorý testoval tento tmel oproti konkurenčnému uretánovému produktu na ich moduloch BMS. Po 1 000 hodinách testovania vibráciami pri 10 g (štandard pre automobilové komponenty) sa v uretáne konkurenta vytvorili mikrotrhlinky, ktoré umožnili prenikanie vlhkosti, zatiaľ čo náš silikónový tmel nevykazoval žiadne známky praskania a zachoval si svoje tlmiace vlastnosti.
Ale nie všetky zložky silikónu sú vytvorené rovnako na tlmenie vibrácií. Pri výbere správneho materiálu pre vašu aplikáciu je potrebné hľadať niekoľko kľúčových faktorov. Po prvé, rýchlosť vytvrdzovania: ak potrebujete spracovať diely rýchlo, dvojzložkový systém, ako je náš2-dielna elektrická silikónová zalievacia zmesktorý vytvrdzuje za 15–30 minút pri izbovej teplote je lepší ako pomaly vytvrdzujúci jednozložkový systém. Ak opravujete na mieste alebo aplikujete veľké diely, jednodielny systém, ako je nášJednozložkový silikónový tmelže vytvrdenie za 24 hodín by mohlo byť praktickejšie. Po druhé, teplotný rozsah: ak bude vaša aplikácia vystavená extrémnemu chladu alebo teplu, uistite sa, že Tg silikónu je pod najnižšou prevádzkovou teplotou a nad najvyššou. Mnoho nízkokvalitných komponentových silikónov má hodnoty Tg okolo -20 °C, čo znamená, že pri teplotách pod touto hranicou sú tuhé a strácajú svoju tlmiacu schopnosť. Všetky naše formulácie zamerané na vibrácie majú hodnoty Tg pod -50 °C, takže zostávajú flexibilné aj v arktických alebo vysokohorských prostrediach.
Ďalším faktorom, ktorý sa často prehliada, je priľnavosť. Tlmič vibrácií funguje iba vtedy, ak je správne spojený s komponentmi, ktoré chráni. Ak sa silikón oddelí od dosky plošných spojov alebo krytu, nemôže absorbovať energiu, čo vedie k rovnakému zlyhaniu, ako keby nemal žiadny tlmič. To je dôvod, prečo sú všetky naše silikónové komponenty formulované s promótormi priľnavosti prispôsobenými bežným substrátom, ako sú dosky plošných spojov FR-4, hliníkové kryty a plastové kryty. Ponúkame tiež pokyny na povrchovú úpravu, aby sme zaistili správne spojenie, pretože ani ten najlepší materiál nebude fungovať, ak je aplikovaný nesprávne.
Videl som projekty, kde inžinieri prešli na silikón δ s vyššou hodnotou opálenia, ale stále mali poruchy vibrácií, pretože povrch nepripravili správne, čo viedlo k delaminácii po niekoľkých mesiacoch používania. Je to jednoduchý krok, no prináša obrovský rozdiel vo výkone v reálnom svete.
Hovorme aj o dlhodobej odolnosti, pretože tlmenie vibrácií nie je jednorazová záležitosť. Mnohé materiály časom strácajú svoje tlmiace vlastnosti v dôsledku vystavenia vplyvu prostredia: UV žiareniu, chemikáliám alebo teplotným cyklom. Komponentný silikón, najmä naše špeciálne formulované druhy, má vynikajúcu odolnosť voči týmto faktorom. Napríklad silikónová zalievacia hmota SO-820 bola testovaná na 10 rokov vonkajšieho vystavenia a stále si zachováva 90 % svojho pôvodného opálenia δ. To je rozhodujúce pre aplikácie, ako sú priemyselné ovládacie panely na vzdialených miestach alebo poľnohospodárske zariadenia, ktoré sú vystavené prachu, vlhkosti a UV žiareniu zo slnečného žiarenia. Klient v ťažobnom priemysle použil našu dvojzložkovú elektrickú silikónovú zalievaciu hmotu na senzory používané vo vŕtacích zariadeniach, ktoré pracujú pri teplotách od -10°C do 80°C a sú vystavené konštantným vysokofrekvenčným vibráciám. Po troch rokoch v teréne bola miera ich zlyhania na týchto senzoroch nižšia ako 0,5 %, v porovnaní s 12 %, keď použili uretánovú zalievaciu zmes, ktorá sa degradovala prachom a teplom.
Teraz chcem byť transparentný v tom, kde silikónový komponent nemusí byť najlepšou voľbou. Ak potrebujete pevné konštrukčné spojenie alebo pracujete vo veľmi vysokoteplotných aplikáciách nad 200 °C (pre tie sú lepšie epoxidy plnené keramikou alebo kovové zliatiny), silikónový komponent nemusí byť správny. Ale pre 90 % aplikácií s vysokými vibráciami – automobilová elektronika, priemyselné ovládacie prvky, letecké súčiastky, poľnohospodárske zariadenia a dokonca aj spotrebná elektronika, ako sú smartfóny, ktoré pravidelne padnú – je to najspoľahlivejšia a cenovo najefektívnejšia možnosť. Počiatočné náklady môžu byť o niečo vyššie ako pri epoxidoch alebo všeobecných lepidlách, ale vďaka dlhodobým úsporám vďaka zníženým nárokom na záruku, menšiemu počtu zlyhaní v teréne a dlhšej životnosti komponentov sa investícia oplatí.
Ak pracujete na projekte, kde sú problémom vibrácie, alebo ak chcete upgradovať svoje súčasné riešenie tlmenia, odporúčame vám obrátiť sa na náš tím. Pomohli sme stovkám klientov naprieč odvetviami vybrať ten správny komponent silikónu pre ich špecifické potreby vibrácií, teploty a aplikácie a môžeme poskytnúť vlastné formulácie, podporu pri testovaní a technické poradenstvo, aby sme zaistili, že vaše komponenty zostanú spoľahlivé aj v tých najnáročnejších podmienkach.
Referencie
- Landrock, A. H. (1995).Príručka technológie lepidiel(2. vydanie). Vydavateľstvo Williama Andrewa.
- ASTM D4065 – 21, Štandardná skúšobná metóda pre plasty: Dynamické mechanické vlastnosti: Ťah, ohyb a náraz pri teplotách vyšších a nižších ako je izbová teplota. ASTM International.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, Štandardná testovacia metóda pre environmentálne testovanie elektronických zariadení v doprave.
- Silva, MF, a kol. (2005). Vlastnosti tlmenia vibrácií kompozitov na báze silikónu pre automobilové aplikácie.Testovanie polymérov24(7), 884-890.