تعتبر المواد البلاستيكية الأساسية عازلة للكهرباء، ولكن مع الإضافات المناسبة، يمكن أن تصبح موصلة للكهرباء. يمكن استخدام المواد البلاستيكية الموصلة للكهرباء لتحل محل المكونات المعدنية وتحسين الاستدامة في العديد من مجالات بناء الموصل. فهي تستهلك طاقة أقل لتصنيعها، كما أنها أخف وزنًا، مما يقلل من وزن النظام، وهو اعتبار مهم جدًا في تطبيقات مثل السيارات الكهربائية (EVs). كما أن وزنها الخفيف يقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة المرتبطة بالنقل والخدمات اللوجستية.
تستعرض هذه الأسئلة الشائعة المستويات الثلاثة للتوصيلية الموجودة في المواد البلاستيكية، بما في ذلك الحماية ضد الكهرباء الساكنة، والحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، والحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). ثم يبحث في كيفية تصنيع المواد البلاستيكية الموصلة للكهرباء باستخدام أسود الكربون، وألياف الكربون، وأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، والجسيمات المعدنية، واستخدام التصوير المقطعي الدقيق ALS لتحسين تصنيع المواد البلاستيكية الموصلة، ويغلق بمقارنة أداء التدريع EMI من البلاستيك الموصل مقابل التدريع المعدني التقليدي.
مقاومة السطح أكبر من 1014 يعتبر أوم سم عازلاً. المستويات الثلاثة للمقاومة في المواد البلاستيكية الموصلة هي:
- 1012 إلى 106 أوم سم، يستخدم للحماية ضد الكهرباء الساكنة،
- 106 إلى 104 أوم سم، يستخدم لحماية البيئة والتنمية المستدامة، و
- أقل من ٣٠ عام4 أوم-سم، يستخدم للحماية من التداخل الكهرومغناطيسي.
تُستخدم عادةً الإضافات الإستيراتية مثل بنتايرثريتول رباعي ستيارات (PETS)، والتي تسمى أيضًا إستر نترات بنتايريثريتول، لتوفير حماية ضد الكهرباء الساكنة. يتضمن إنتاج المواد البلاستيكية الموصلة مقايضات بين التكلفة، والتوصيل، والقوة الميكانيكية، وقابلية تشغيل المادة. بالإضافة إلى الإضافات الإستيراتية، تتراوح الإضافات الأخرى من أسود الكربون إلى الجزيئات المعدنية.
أسود الكربون غير مكلف ويستخدم على نطاق واسع لإنشاء مواد بلاستيكية موصلة للحماية ضد الكهرباء الساكنة ودرع EMI منخفض الأداء.
تعتبر ألياف الكربون أكثر موصلية من أسود الكربون وتضيف قوة ميكانيكية. إنهم ينتجون مواد بلاستيكية موصلة خفيفة الوزن تستخدم في المكونات الهيكلية في تطبيقات السيارات والفضاء.
تُستخدم الأنابيب النانوية الكربونية لإنتاج مواد بلاستيكية موصلة ذات خصائص حماية ضد الكهرباء الساكنة والتداخل الكهرومغناطيسي للمكونات الإلكترونية مثل أجهزة الاستشعار والمحركات.
تُستخدم أيضًا جزيئات معدنية مشتتة بدقة مثل الفضة أو النحاس لإنتاج مواد بلاستيكية موصلة. تتميز هذه المواد البلاستيكية بموصلية كهربائية أعلى مقارنة بالحشوات المعتمدة على الكربون وتستخدم لتوفير حماية EMI للموصلات والمبيتات الخاصة بالأجهزة الإلكترونية.
معالجة المسائل
إن معالجة المواد البلاستيكية المملوءة بجزيئات معدنية متناثرة لها تأثير كبير على الأداء. استخدم العلماء التصوير المقطعي الدقيق لمصدر الضوء (ALS) لدراسة تصنيع المواد البلاستيكية باستخدام جزيئات معدنية مشتتة بدقة. يجمع نظام ALS بين تدفق عالٍ جدًا من الأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء لالتقاط صور ثلاثية الأبعاد للبنية الداخلية للمادة بدقة نانومترية أو ميكرومترية.
في إحدى التجارب، قام العلماء ببناء مرحلة تسخين خاصة في خط شعاع ALS حتى يتمكنوا من مراقبة المواد البلاستيكية الموصلة في درجات حرارة مختلفة. قبل التلدين، كانت المكونات المقولبة المحقونة ذات موصلية ضعيفة. أثناء التلدين، تم إعادة توزيع جزيئات النحاس والقصدير في العينة وتحسنت التوصيل الكهربائي بشكل ملحوظ. إن فهم كيفية تحسين التلدين للموصلية سوف يدعم عمليات التصنيع المحسنة (الشكل 1).
المرونة والاستدامة
بالإضافة إلى تحسين الاستدامة، تدعم المواد البلاستيكية الموصلة قدرًا أكبر من المرونة في تصميمات الموصلات. بالنسبة لتطبيقات مثل أنظمة السيارات، يمكن أن يوفر البلاستيك الموصل الاستقرار البيئي، وقابلية إعادة التدوير، وتوفير الوزن، والأداء الميكانيكي العالي. يمكن للمواد البلاستيكية الموصلة أيضًا أن تدعم عوامل الشكل الصغيرة والأشكال الهندسية المعقدة اللازمة للموصلات في تطبيقات معالجة البيانات والاتصالات.
يمكن استخدام مواد بلاستيكية مختلفة لدعم متطلبات أداء التكلفة المحددة، ويمكن ضبط تركيز الحشوات المعدنية بدقة لتوفير المستوى المطلوب من الحماية. يتطلب استخدام المواد البلاستيكية التقليدية إضافة درع معدني باستخدام الترسيب أو الطلاء أو الختم أو خيارات التصنيع الأخرى التي تزيد من التعقيد والتكلفة.
ما مدى جودة الدروع البلاستيكية الموصلة؟
يمكن أن يوفر درع EMI البلاستيكي الموصل مستويات أداء مماثلة للدرع المعدني إذا تم استخدام البلاستيك المناسب. على سبيل المثال، تمت مقارنة فقدان الإدراج وأداء الحديث المتبادل لاثنين من المواد البلاستيكية الموصلة مع المكونات المعدنية. أظهرت العلب البلاستيكية أداءً متطابقًا تقريبًا للجزء المعدني (الشكل 2).
نبذة عامة
تساهم المواد البلاستيكية الموصلة في تحقيق الاستدامة نظرًا لأنها تتطلب طاقة أقل لإنتاجها، وتؤدي إلى درع أخف وزنًا مقارنة بخيارات التدريع المعدنية. من خلال ضبط كثافة الجزيئات المعدنية المشتتة في البلاستيك والتحكم في عملية التلدين، يمكن التحكم في أداء التدريع الكهرومغناطيسي. ويمكن مقارنته بالدرع الذي توفره التصميمات القائمة على المعدن النقي.
مراجع حسابات
بناء منتجات أخف وزنًا وأقل تكلفة باستخدام مواد بلاستيكية موصلة للكهرباء واتصال TE
اتصالات لمركبات البوليمر الموصلة للكهرباء، فراونهوفر
استكشاف عالم المواد البلاستيكية الموصلة للكهرباء، جامكور
رؤى حول المواد البلاستيكية الموصلة، والتشتتات الحديثة
تستخدم شركة TE Connectivity ALS لتحسين المواد البلاستيكية الموصلة، مختبر بيركلي