Materiale hibride polimerice, viitorul conductorilor electrici

Produsele electrice și electronice au câștigat o importanță uriașă, inclusiv în industria de construcții, fiind utilizate în grupuri de asamblare extrem de integrate. În plus, există o tendință crescândă de miniaturizare, iar conductoarele produselor electrice și electronice trebuie să îndeplinească cerințe diferite, în funcție de domeniul lor de aplicare. O soluție din ce în ce mai răspândită par a fi materialele hibride polimerice super-conductive, la care facem referire acum, citând din studiul ”Highly Conductive Plastics: Custom and formulated Functional Materials for Electric and Electronic Applications”, publicat de Walter Michaeli, Tobias Pfefferkorn și Jan Fragner, de la Universitatea din Dover.

Sarcini diferite, soluții specifice

Precum cei metalici, conductorii plastici sau din materiale compozite trebuie să răspundă unor cerințe specifice. De exemplu, este necesară o conductivitate electrică foarte ridicată pentru conectarea sistemelor de transmisie și controlul unui motor, dar pentru unități de comandă, senzori și carcase, sunt necesare intervale de conductivitate altfel definite. În plus, ecranarea electromagnetică este foarte importantă.

În alte utilizări, sunt necesare valori inferioare ale conductivității electrice, pentru aplicații care trebuie să împiedice încărcarea electrostatică. În ciuda aparențelor, o soluție o pot reprezenta polimerii, care sunt materiale tipice de izolație. Dar, interesul în utilizarea polimerilor pentru alte aplicații electrice a crescut datorită proprietăților avantajoase, cum ar fi greutatea, prelucrabilitatea și rezistența la substanțele chimice.

De-a lungul anilor, polimerii conducători termici și electrici au fost dezvoltați prin adăugarea de materiale comune de umplutură, cum ar fi negru de fum, grafit, fibre metalice, fulgi sau fibre de carbon și, din ce în ce mai mult, nanofiltre, cum ar fi nanostructurile de carbon. Acești compuși au fost deja implementați cu succes într-o gamă de aplicații antistatice și electromagnetice de ecranare. De aceea, pentru asigurarea unui grad înalt de conductivitate electrică este necesar un conținut ridicat de umpluturi conducătoare, care formează o rețea de percolare strânsă. Rezolvarea poate veni din fabricarea de componente fabricate prin injecție.

Compromisul necesar

De aici, în funcție de aplicația specifică, pentru fiecare compoziție materială trebuie găsit un compromis, cu privire la cantitatea de umplutură. Conținutul mai mare de umplutură are de obicei o influență negativă, asupra proprietăților mecanice și a procesabilității, din cauza creșterii considerabile a vâscozității topiturii.

În același timp, uzura mașinilor este mai mare, decât pentru polimerii nefolosiți. Compozițiile materiale utilizate până în prezent nu sunt în măsură să îndeplinească cerințele funcționalității viitoare a componentelor, în special pentru elemente cu pereți subțiri și miniaturizați. Prin urmare, componentele funcționale care necesită o conductivitate electrică ridicată sunt încă produse în mod obișnuit, în etapele de prelucrare și de asamblare intensive.

Conținutul de umplutură și, astfel, conductivitatea electrică, pot fi crescute în mod semnificativ fără scăderea capacității de prelucrare, prin utilizarea aliajelor metalice care prezintă un punct de topire scăzut. Aceste aliaje metalice sunt lichide, în faza de procesare, și nu se vor solidifica înainte de faza de răcire. Acest fapt permite producerea de piese turnate complexe, cu proprietăți electrice și termice precise.

Ca rezultat, dezavantajele legate de materiale plastice înalt conductive sunt reduse, în comparație cu compușii de turnare cu umplutură înaltă. Astfel, devine posibilă producerea unor structuri conductoare și a unor joncțiuni pentru conexiunile de conectare și/sau cabluri, într-o singură etapă de procesare, prin intermediul unui proces de turnare prin injecție, procesele de îmbinare și lipire, care consumă mult timp, putând fi evitate.

Caracteristici de turnare

Umplerea cavităților pentru a realiza compuși termoplastici/metalici, poate fi efectuată în procese convenționale de turnare, prin injecție unică sau multicomponentă. Datorită conținutului ridicat de metal, comportamentul de umplere și congelare a materialelor diferă, față de cel al termoplastelor nefolosite. Acest lucru este cauzat de umplutura solidă și lichidă. Testele au fost efectuate cu ajutorul unei mașini de turnare sub presiune, de tip Allrounder 320 S 500-150 (Arburg GmbH + Co KG, Lossburg, Germania), cu un diametru al șurubului de 30 mm (L / D = 20).

În aceste teste, s-au avut în vedere efectele asupra proprietăților de curgere ale noului material, urmate de caracterizarea distribuției locale a umpluturii. Materialele termoplastice neumplute și umpluturile mici, au prezentat un debit frontal tipic, în timpul umplerii matriței. Acest lucru este specific fluidelor viscoelastice, prin care se formează un profil de viteză parabolică peste grosimea părților. Odată cu creșterea conținutului de umplutură, profilul vitezelor s-a diminuat.

Compoziția termoplastică a materialului puternic umplut a prezentat un comportament de umplere modificat semnificativ, datorită conținutului ridicat de umplutură, de 85%, în greutate. Pe lângă elasticitatea semnificativă a topiturii compusului, s-au constatat un flux rapid de căldură, conductivitate termică crescută și tranziție specifică de fază.

Perspective

Investigațiile demonstrează potențialul ridicat al noilor compuși, pentru utilizarea în piese turnate cu conductivitate electrică ridicată. Gama de materiale se întinde de la compușii de negru de fum, la metale și formează tranziția între semiconductori și conductori. Materialele hibride termoplastice/metalice descrise, au un potențial ridicat de a fi utilizate în producția de componente electrice și electronice complexe, cu cerințe foarte mari privind conductivitatea electrică.

Datorită procesului de turnare prin injecție, piesele turnate prezintă o dependență a distribuției și a direcției materialului de umplutură în poziția locală, de-a lungul traseului de curgere. Prin urmare, în proiectarea părții turnate este important să se țină cont nu numai de valorile caracteristice globale, ci și de influența compoziției materialelor, a parametrilor de proces, precum și a geometriei sistemului de cedare și a cavității.

Acest lucru permite influențarea morfologiei și a proprietățile pieselor, în timpul formării prin turnare și injecție a materialelor hibride polimerice/metalice. Deci, se poate arăta că polimerul de matrice poate fi variat pe scară largă, pentru a ajusta proprietățile compușilor pentru cerințele specifice aplicațiilor. Astfel, o înghețare a polimerului în același timp, sau mai târziu, decât aliajul metalic, și o vâscozitate scăzută a materialului, pot îmbunătăți considerabil nivelul și omogenitatea conductivității.

Mai mult, conductivitățile materialului hibrid sunt doar puțin influențate de temperaturile ridicate. Conductivitatea nu este redusă considerabil, până la atingerea temperaturii de înmuiere, de aproximativ 200 C. Atâta timp cât secțiunea transversală este mai mare de 5 mm², la o încărcătură de curent relativ scăzută de aproximativ 10 A, materialul hibrid nu se încălzește critic și poate fi utilizat pentru traiectoriile conductoarelor. Pe lângă o conductivitate electrică excelentă, o eficacitate de ecranare este asigurată de materialul hibrid, datorită rețelei metalice pronunțate. Acest lucru permite ca materialul să fie folosit și în domeniul aplicațiilor electromagnetice de ecranare.