تم اقتراح أنابيب الكربون النانوية (CNTs) لتقليل التآكل في الموصلات المستخدمة في البيئات عالية الاهتزاز مثل المركبات. يمكن استخدامها أيضًا لإجراء اتصالات ذات مقاومة تلامس أقل ومقاومة أعلى للتآكل مقارنةً بالطلاء الفضي (Ag)، وقد تم استخدامها لتقليل الوزن في بعض الكابلات المحمية بنسبة 25% أو أكثر للاستخدام في التطبيقات الحساسة للوزن مثل الأقمار الصناعية والطائرات والمعدات التي يرتديها الجنود.
تقليل التآكل
يمكن أن يشكل التآكل المزعج تحديًا في أي تطبيق يخضع للاهتزازات، بما في ذلك المركبات والأنظمة الصناعية. فهو يزيل مادة التلامس ويمكن أن يحبس الحطام في نقاط التلامس، مما يزيد من مقاومة التلامس.
يمكن أن يؤدي تشحيم أسطح التلامس إلى تقليل التآكل. لا يعد هذا خيارًا عادةً في الموصلات الكهربائية نظرًا لأن مواد التشحيم السائلة المتوفرة تتمتع بمقاومة عالية نسبيًا وتزيد من مقاومة الاتصال الكهربائي الإجمالية (ECR). تشمل الخيارات الأخرى الشحوم ومواد التشحيم الصلبة مثل الجرافيت، وكلاهما يعاني من عيوب خاصة بهما وقد يقللان من التآكل ولكنهما يزيدان من ECR.
تم دراسة مواد التشحيم مثل أسود الكربون والأنابيب النانوية الكربونية المعتمدة على جسيمات الكربون النانوية (CNPs) كأداة محتملة لتقليل التآكل المزعج دون زيادة مصاحبة في ECR. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بميزة إضافية تتمثل في توفير حماية فائقة للأكسدة. في إحدى الحالات، تم اختبار سلسلة من طلاءات CNT بسماكات مختلفة للتأكد من فعاليتها في تقليل التآكل.
كما هو متوقع، أظهرت الطلاءات السميكة تحسنًا في أداء التآكل. وكنتيجة مفاجئة، أدت الطلاءات السميكة أيضًا إلى تحسين ECR مقارنة بالنحاس العاري. في ظل دورات الحنق الممتدة (ما يصل إلى 500,000 دورة)، تم إزاحة طلاءات CNT، مما قلل إلى حد ما من الحماية من التآكل، ولكنها استقرت بعد ذلك وأظهرت انخفاضًا في نسبة ECR مقارنة مع جهات الاتصال غير المطلية. يمكن أيضًا أن تتحمل جهات الاتصال المطلية بـ CNT الأحمال الأعلى أثناء القلق دون التعرض للتآكل المفرط.
المقاومة للتآكل
في سلسلة أخرى من الاختبارات، أنتج فيلم مركب من الفضة (Ag) CNT نسبة ECR أقل مقارنة بطلاء Ag النقي بعد اختبار تآكل غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S). يعد تشويه Ag أو كبريتيته سببًا شائعًا للتآكل وانخفاض الأداء في جهات اتصال الموصل المطلي بـ Ag. تم طلاء فيلم Ag/CNT على نقاط الاتصال باستخدام عملية طلاء غير السيانيد. قد يوفر بديلاً مستقبليًا للممارسات الحالية حيث يتم طلاء Ag على نقاط الاتصال الكهربائية باستخدام نظام طلاء السيانيد.
كان لفيلم Ag النقي أدنى معدل ECR قبل التعرض لـ H2S. كان الأداء الأفضل لطلاء Ag النقي ملحوظًا بشكل خاص عند قوى تحميل التلامس المنخفضة. قبل التعرض لـ H2S، كان للفيلم المركب Ag/CNT نسبة ECR أعلى قليلاً مقارنةً بـ Ag النقي. ومع ذلك، بعد التعرض لغاز H2S، أظهر مركب Ag/CNT نسبة ECR أقل بكثير مقارنةً بالطلاء النقي Ag (الشكل 1).
درع خفيف الوزن
يمكن أن تؤدي الكابلات المحمية خفيفة الوزن التي تستخدم دروع CNT إلى توفير كبير في الوزن في منصات مثل الأقمار الصناعية حيث يتكلف كل رطل من الوزن ما يصل إلى 50,000 دولار لوضعه في المدار. يمكن للمركبات الجوية بدون طيار (UAVs) مثل الطائرات بدون طيار أن تشهد انخفاضًا في الوزن يصل إلى 300 رطل أو أكثر باستخدام الكابلات المحمية القائمة على CNT. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لخفض الوزن أن يزيد من القدرات التشغيلية للطائرات المأهولة والمركبات الأرضية وحتى الجنود الذين يحملون معدات أقل وزنًا.
تتمتع الدروع المعتمدة على CNT بمقاومة عالية نسبيًا تؤدي إلى انخفاض أداء التدريع أقل من حوالي 100 ميجاهرتز. كما أنهم غير قادرين على توفير الحماية ضد البرق. ونتيجة لذلك، يتم تطوير الدروع المعتمدة على CNT لاستخدامها في الكابلات ذات الضفيرة المزدوجة الموجودة عادة في أنظمة الفضاء الجوي. يتم دمج جديلة معدنية تقليدية توفر درعًا منخفض التردد وحماية من الإضاءة مع درع شريط CNT الذي يوفر درعًا عالي التردد. تزن رقائق CNT أقل بكثير من الضفيرة المعدنية التي تحل محلها، ويزن النظام المدمج حوالي 25% أقل من نظام التدريع التقليدي الذي يستخدم درعين جديليين معدنيين (الشكل 2).
يتم تطوير الكابلات الهجينة CNT/المعدنية المحمية لتطبيقات MIL-STD-1553B وIEEE 1394. لا يزال تحسين عمليات التصنيع لإنتاج الكابلات المحمية بـ CNT يمثل عقبة يجب التغلب عليها. العمليات الحالية ليست مناسبة للتصنيع بكميات كبيرة وتعاني من عوائد محدودة.
نبذة عامة
من المتوقع أن تعمل الأنابيب النانوية الكربونية على تحسين أداء التوصيلات البينية بعدة طرق. لقد ثبت أن طلاء CNT على جهات الاتصال يزيد من مقاومة التلامس للتآكل ويقلل من تأثير تآكل الكبريت على جهات الاتصال Ag. يتم تطوير الكابلات الهجينة المحمية من CNT/المعادن لتقليل وزن الكابلات المحمية في الفضاء الجوي والتطبيقات الأخرى.
مراجع حسابات
أنابيب الكربون النانوية في الترابط ويكيبيديا
أنابيب الكربون تكنولوجيا وعد بثورة في مجال الكابلات واتصالات TE
التطورات الحديثة في الطلاءات النانوية المعدنية/السبائكية لأنابيب الكربون النانوية القائمة على الطلاء غير الكهربائي، الحدود في الكيمياء
خصائص الاتصال الكهربائي الفائقة للأغشية المركبة Ag/CNT التي تم تشكيلها في حمام طلاء خالٍ من السيانيد وتم اختبارها ضد التآكل بواسطة غاز H2S، رسائل المواد
تقليل التآكل عن طريق طلاءات CNT في نقاط الاتصال الكهربائية المعرضة لخطابات الاحتكاك