Если вы когда-либо держали в руках часть электроники, уцелевшую при падении со стола, электронику под капотом автомобиля, которая проходит через выбоины и перепады температур, или даже компонент аэрокосмической отрасли, пролетевший в турбулентном воздухе, вы сталкивались с гашением вибраций на работе. Большинство людей не думают о тихой рабочей лошадке, обеспечивающей такую долговечность, но для инженеров, проектирующих для сред с высокой вибрацией, силикон для компонентов — это нечто большее, чем просто герметик или наполнитель — это основа надежного управления вибрацией. Как поставщик силикона для компонентов с многолетним опытом поддержки отраслей, от автомобилестроения до промышленных систем управления, я своими глазами видел, как этот материал превосходит другие варианты, но только тогда, когда вы понимаете, как его уникальные свойства приводят к реальным характеристикам гашения вибраций.
Для начала давайте разберемся, почему вибрация является такой серьезной проблемой для электронных и механических компонентов. Вибрация – будь то дорожный шум, работа двигателя или атмосферная турбулентность – создает циклическую нагрузку на крошечные паяные соединения, чувствительные датчики и печатные платы. Со временем это напряжение приводит к усталостному разрушению: пайка трескается, разъемы ослабляются, а датчики смещаются, даже если компонент никогда не перегревается и не намокает. Вот тут-то и приходят на помощь материалы, гасящие вибрацию: их задача — поглощать эту циклическую энергию, преобразовывать ее в небольшое количество тепла и не допускать повреждения чувствительных деталей. Компонент силикона уникально подходит для этого благодаря своей молекулярной структуре: длинные, гибкие цепи силиконового полимера, которые могут растягиваться и переориентироваться, не разрываясь, в сочетании с низкой температурой стеклования (Tg), что означает, что он остается гибким даже в холодных условиях, когда другие материалы затвердевают и трескаются.
Давайте сравним это с распространенными альтернативными материалами, чтобы представить это в перспективе. Эпоксидные смолы, например, жесткие и обеспечивают хорошую структурную поддержку, но их высокая Tg означает, что они становятся хрупкими при минусовых температурах, превращаясь в плохой гаситель вибраций именно тогда, когда зимой работает такое оборудование, как сельскохозяйственная техника или внедорожники. Уретаны немного более гибкие, чем эпоксидные смолы, но они могут разрушаться под воздействием ультрафиолета или высоких температур (например, при температуре 120°C под капотом, с которой сталкиваются многие автомобильные компоненты), что со временем приводит к потере демпфирующих характеристик. Силиконовый компонент, с другой стороны, сохраняет свою гибкость в диапазоне температур от -60°C до 200°C для многих составов, а это именно тот диапазон, в котором работает большинство приложений с высокой вибрацией.
Теперь давайте перейдем к конкретным показателям производительности, которые имеют значение для гашения вибраций. Ключевым числом здесь является тангенс потерь (tan δ), который измеряет способность материала рассеивать энергию вибрации. Значение tan δ выше 0,1 означает, что материал эффективно демпфирует; значения выше 0,3 означают, что он очень эффективен. Большинство компонентов силикона для гашения вибрации имеют коэффициент tan δ от 0,2 до 0,5 во всем диапазоне рабочих температур, что превосходит как эпоксидные смолы (обычно tan δ < 0,1), так и даже многие специализированные уретановые виброгасящие материалы (которые часто падают ниже 0,1 при экстремальных температурах). Это означает, что когда компонент, заливаемый или герметизированный силиконом, подвергается вибрации, он поглощает 20–50% этой циклической энергии, а не передает ее непосредственно внутренним частям.
Но важен не только объем загара δ — огромное значение имеет то, как наносится силикон. Например, двухкомпонентные силиконовые заливочные компаунды затвердевают, образуя вокруг компонентов равномерный слой без напряжений, который идеально подходит для герметизации печатных плат, нуждающихся в полной защите от вибрации. НашSO-820 Силиконовый герметик | Герметизирующий материал UL 94 V-0 RTV Тайваньразработан специально для этого: он имеет коэффициент tan δ 0,35 при комнатной температуре, отверждается без усадки (большой плюс, поскольку усадка создает внутреннее напряжение, которое может привести к выходу компонента из строя) и соответствует огнестойкости UL 94 V-0 для применений, где пожарная безопасность является проблемой. Я работал с производителем автомобилей, который перешел с эпоксидной заливки на SO-820 для своих блоков управления двигателем (ЭБУ) и наблюдал снижение на 70% количества отказов, связанных с вибрацией, за 18 месяцев. Причина? Гибкость силикона лучше соответствовала коэффициенту теплового расширения (КТР) материалов печатной платы, чем эпоксидная смола, поэтому, поскольку ЭБУ нагревается и охлаждается во время работы, он перемещается вместе с платой, а не создает нагрузку на паяные соединения, а также поглощает вибрацию дороги и двигателя, которая в противном случае могла бы привести к растрескиванию соединений.
Для применений, которые не требуют полной герметизации, таких как герметизация датчиков или разъемов, часто лучшим выбором являются однокомпонентные силиконы RTV. НашRtv-1 Алкокси-силиконовый герметик для электронных устройствотверждается при контакте с влагой, что позволяет легко наносить его на месте или во время сборки, а коэффициент загара δ составляет 0,28 в диапазоне от -40°C до 150°C. Я помню клиента из отрасли сельскохозяйственного оборудования, у которого были проблемы с вибрацией двигателей тракторов, которые расшатывали датчики скорости. Они использовали универсальный клей, который затвердевал в твердый слой в течение месяца, и датчик смещался. При переходе на наш алкокси-силиконовый герметик RTV-1 датчик слегка перемещается при вибрации, а демпфирующие свойства силикона поглощают высокочастотный шум двигателя, который ослабляет крепление. Они сообщили об отсутствии сбоев датчиков, связанных с вибрацией, после переключения, что сэкономило им более 20 000 долларов США на гарантийных претензиях за один сезон сбора урожая.
Еще одним распространенным приложением, подверженным сильной вибрации, является автомобильная электроника под капотом и кузовом. Белые автомобильные силиконовые герметики для теплопередачи имеют двойное назначение: они герметизируют, рассеивают тепло и гасят вибрацию. НашБелый автомобильный силиконовый герметик для теплопередачиимеет теплопроводность 0,8 Вт/мК (намного выше, чем у стандартных силиконовых герметиков, которые составляют около 0,2 Вт/мК) плюс tan δ, равный 0,3 в типичном диапазоне температур под капотом. Этот герметик идеально подходит для систем управления аккумуляторами электромобилей (BMS), где модули подвергаются дорожной вибрации и должны поддерживать постоянную температуру: он связывает аккумуляторные модули с шасси, поглощает вибрацию, которая может утомлять соединения модулей, и отводит тепло, выделяющееся во время зарядки и разрядки. Мы работали с начинающим производителем электромобилей, который тестировал этот герметик на соответствие уретановому продукту конкурента на своих модулях BMS. После 1000 часов испытаний на вибрацию при нагрузке 10 г (стандарт для автомобильных компонентов) в уретане конкурента образовались микротрещины, которые позволили проникнуть влаге, в то время как наш силиконовый герметик не показал признаков растрескивания и сохранил свои демпфирующие свойства.
Однако не все компоненты силикона одинаково эффективно поглощают вибрации. Есть несколько ключевых факторов, на которые следует обратить внимание при выборе подходящего материала для вашего применения. Во-первых, скорость отверждения: если вам нужно быстро обработать детали, вам подойдет двухкомпонентная система, подобная нашей.2-компонентный электрический силиконовый герметиккоторая затвердевает за 15–30 минут при комнатной температуре, лучше, чем однокомпонентная система медленного отверждения. Если вы выполняете ремонт на месте или обрабатываете крупные детали, вам подойдет система, состоящая из одной детали, такая как наша.Однокомпонентный силиконовый герметикто, что затвердевает за 24 часа, может быть более практичным. Во-вторых, температурный диапазон: если ваше приложение будет подвергаться воздействию сильного холода или жары, убедитесь, что Tg силикона ниже самой низкой рабочей температуры и выше самой высокой. Многие низкосортные силиконы имеют значения Tg около -20°C, что означает, что они становятся жесткими при температурах ниже этого значения, теряя свою демпфирующую способность. Все наши составы, ориентированные на вибрацию, имеют значения Tg ниже -50°C, поэтому они остаются гибкими даже в арктических или высокогорных условиях.
Еще одним фактором, который часто упускают из виду, является адгезия. Гаситель вибраций работает только в том случае, если он правильно прикреплен к компонентам, которые он защищает. Если силикон отделяется от печатной платы или корпуса, он не может поглощать энергию, что приводит к тому же отказу, что и отсутствие демпфера вообще. Вот почему все наши силиконовые компоненты содержат усилители адгезии, адаптированные к обычным материалам, таким как печатные платы FR-4, алюминиевые и пластиковые корпуса. Мы также предлагаем рекомендации по обработке поверхности, чтобы обеспечить правильное склеивание, поскольку даже самый лучший материал не будет работать, если его нанести неправильно.
Я видел проекты, в которых инженеры перешли на силикон с более высоким загаром δ, но все равно случались сбои из-за вибрации, поскольку они неправильно подготовили поверхность, что приводило к расслоению после нескольких месяцев использования. Это простой шаг, но он имеет огромное значение для реальной производительности.
Давайте также поговорим о долговечности, поскольку гашение вибраций — это не разовая вещь. Многие материалы со временем теряют свои демпфирующие свойства из-за воздействия окружающей среды: ультрафиолетового излучения, химикатов или циклических температур. Компоненты силикона, особенно наши специально разработанные марки, обладают превосходной устойчивостью к этим факторам. Например, силиконовый заливочный состав SO-820 прошел испытания на 10-летнюю эксплуатацию на открытом воздухе и по-прежнему сохраняет 90 % исходного тангенса δ. Это критически важно для таких приложений, как промышленные панели управления в отдаленных местах или сельскохозяйственное оборудование, которое подвергается воздействию пыли, влаги и ультрафиолета из-за воздействия солнечных лучей. Клиент из горнодобывающей промышленности использовал наш двухкомпонентный электрический силиконовый герметик для датчиков, используемых в буровом оборудовании, которое работает при температурах от -10°C до 80°C и подвергается постоянной высокочастотной вибрации. После трех лет работы уровень отказов этих датчиков составил менее 0,5% по сравнению с 12% при использовании уретановой заливочной массы, которая разлагалась под воздействием пыли и тепла.
Теперь я хочу открыто сказать, в каких случаях компонентный силикон может быть не лучшим выбором. Если вам требуется жесткое структурное соединение или вы работаете в условиях очень высоких температур выше 200 ° C (для этих целей лучше использовать эпоксидные смолы с керамическим наполнителем или металлические сплавы), компонентный силикон может оказаться неподходящим. Но для 90% приложений с высокой вибрацией — автомобильной электроники, промышленных систем управления, компонентов аэрокосмической отрасли, сельскохозяйственного оборудования и даже бытовой электроники, такой как смартфоны, которые регулярно роняют, — это наиболее надежный и экономически эффективный вариант. Первоначальные затраты могут быть немного выше, чем у эпоксидных смол или обычных клеев, но долгосрочная экономия за счет сокращения гарантийных претензий, меньшего количества отказов в эксплуатации и более длительного срока службы компонентов оправдывает вложения.
Если вы работаете над проектом, в котором вибрация является проблемой, или хотите обновить существующее решение по демпфированию, я бы посоветовал вам обратиться к нашей команде. Мы помогли сотням клиентов в разных отраслях выбрать правильный силикон для их конкретных потребностей в области вибрации, температуры и применения, а также можем предоставить индивидуальные рецептуры, поддержку в испытаниях и техническое руководство, чтобы гарантировать надежность ваших компонентов даже в самых тяжелых условиях.
Ссылки
- Лэндрок, АХ (1995).Справочник по клеевым технологиям(2-е изд.). Издательство Уильяма Эндрю.
- ASTM D4065-21, Стандартный метод испытаний пластмасс: динамические механические свойства: растяжение, изгиб и удар при температурах выше и ниже комнатной температуры. АСТМ Интернешнл.
- Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE) J1455, Стандартный метод испытаний транспортного электронного оборудования на воздействие окружающей среды.
- Сильва, М.Ф. и др. (2005). Характеристики демпфирования вибрации композитов на основе силикона для автомобильной промышленности.Тестирование полимеров, 24(7), 884–890.