Basiskunststoffe sind elektrisch isolierend, können aber mit den richtigen Zusätzen leitfähig werden. Elektrisch leitfähige Kunststoffe können Metallkomponenten ersetzen und die Nachhaltigkeit in mehreren Bereichen des Steckverbinderbaus verbessern. Ihre Herstellung erfordert weniger Energie und ist leichter, wodurch das Systemgewicht reduziert wird, ein sehr wichtiger Gesichtspunkt bei Anwendungen wie Elektrofahrzeugen (EVs). Ihr geringeres Gewicht reduziert zudem die Treibhausgasemissionen im Zusammenhang mit Transport und Logistik.
In dieser FAQ werden die drei Leitfähigkeitsstufen von Kunststoffen besprochen, darunter der antistatische Schutz, der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) und die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI). Anschließend wird untersucht, wie elektrisch leitfähige Kunststoffe unter Verwendung von Ruß, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Metallpartikeln hergestellt werden können, sowie der Einsatz der ALS-Mikrotomographie zur Optimierung der Herstellung leitfähiger Kunststoffe und abschließend wird die Leistung der EMI-Abschirmung verglichen aus leitfähigem Kunststoff im Vergleich zu herkömmlicher Metallabschirmung.
Ein Oberflächenwiderstand von mehr als 1014 Ohm-cm gilt als Isolator. Die drei Widerstandsstufen in leitfähigen Kunststoffen sind:
- 1012 zu 106 Ohm-cm, verwendet für antistatischen Schutz,
- 106 zu 104 Ohm-cm, verwendet für den ESD-Schutz und
- Unten 104 Ohm-cm, wird zur EMI-Abschirmung verwendet.
Steratzusätze wie Pentaerythritoltetrastearat (PETS), auch Pentaerythritolnitratester genannt, werden typischerweise verwendet, um einen antistatischen Schutz zu bieten. Bei der Herstellung leitfähiger Kunststoffe müssen Kompromisse zwischen Kosten, Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und Verarbeitbarkeit des Materials eingegangen werden. Neben Sterat-Additiven reichen weitere Additive von Ruß bis hin zu metallischen Partikeln.
Ruß ist kostengünstig und wird häufig zur Herstellung leitfähiger Kunststoffe für den antistatischen Schutz und die leistungsschwächere EMI-Abschirmung verwendet.
Kohlenstofffasern sind leitfähiger als Ruß und erhöhen die mechanische Festigkeit. Sie produzieren leichte leitfähige Kunststoffe, die für Strukturkomponenten in Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden.
CNTs werden zur Herstellung leitfähiger Kunststoffe mit antistatischen und EMI-Abschirmeigenschaften für elektronische Komponenten wie Sensoren und Aktoren verwendet.
Auch fein verteilte Metallpartikel wie Silber oder Kupfer werden zur Herstellung leitfähiger Kunststoffe verwendet. Diese Kunststoffe haben im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Füllstoffen eine höhere elektrische Leitfähigkeit und werden zur EMI-Abschirmung von Steckverbindern und Gehäusen elektronischer Geräte verwendet.
Verarbeitung ist wichtig
Die Verarbeitung von Kunststoffen, die mit dispergierten Metallpartikeln gefüllt sind, hat großen Einfluss auf die Leistung. Wissenschaftler haben mithilfe der fortschrittlichen Lichtquellenmikrotomographie (ALS) die Herstellung von Kunststoffen mit fein dispergierten Metallpartikeln untersucht. Das ALS-System kombiniert einen sehr hohen Fluss von Röntgenstrahlen und Infrarotlicht, um dreidimensionale Bilder der inneren Struktur eines Materials mit einer Auflösung im Nanometer- oder Mikrometerbereich zu erfassen.
In einem Experiment bauten Wissenschaftler eine spezielle Heizstufe an der ALS-Strahllinie, um leitfähige Kunststoffe bei verschiedenen Temperaturen beobachten zu können. Vor dem Glühen hatten die Spritzgussteile eine schlechte Leitfähigkeit. Beim Glühen wurden die Kupfer- und Zinnpartikel in der Probe neu verteilt und die elektrische Leitfähigkeit deutlich verbessert. Das Verständnis, wie Glühen die Leitfähigkeit verbessert, wird verbesserte Herstellungsprozesse unterstützen (Figure 1).
Flexibilität und Nachhaltigkeit
Leitfähige Kunststoffe verbessern nicht nur die Nachhaltigkeit, sondern sorgen auch für eine größere Flexibilität bei Steckverbinderdesigns. Für Anwendungen wie Automobilsysteme können leitfähige Kunststoffe Umweltstabilität, Recyclingfähigkeit, Gewichtseinsparungen und hohe mechanische Leistung bieten. Leitfähige Kunststoffe können auch die kleinen Formfaktoren und komplexen Geometrien unterstützen, die für Steckverbinder in Datenverarbeitungs- und Kommunikationsanwendungen erforderlich sind.
Um spezifische Kosten-Leistungs-Anforderungen zu erfüllen, können verschiedene Kunststoffe verwendet werden, und die Konzentration der Metallfüllstoffe kann genau abgestimmt werden, um das erforderliche Maß an Abschirmung zu gewährleisten. Die Verwendung herkömmlicher Kunststoffe erfordert das Hinzufügen einer Metallabschirmung durch Abscheiden, Plattieren, Stanzen oder andere Herstellungsoptionen, die die Komplexität und die Kosten erhöhen.
Wie gut sind leitfähige Kunststoff-EMI-Abschirmungen?
Eine EMI-Abschirmung aus leitfähigem Kunststoff kann bei Verwendung des richtigen Kunststoffs ein mit einer Metallabschirmung vergleichbares Leistungsniveau bieten. Beispielsweise wurden die Einfügungsdämpfung und das Übersprechverhalten zweier leitfähiger Kunststoffe mit Metallkomponenten verglichen. Die Kunststoffgehäuse zeigten eine nahezu identische Leistung wie das Metallteil (Figure 2).
Zusammenfassung
Leitfähige Kunststoffe tragen zur Nachhaltigkeit bei, da ihre Herstellung weniger Energie erfordert und sie zu einer leichteren Abschirmung im Vergleich zu Abschirmungsoptionen auf Metallbasis führen. Durch die Feinabstimmung der Dichte der dispergierten Metallpartikel im Kunststoff und die Steuerung des Glühprozesses kann die EMI-Abschirmleistung gesteuert werden. Sie kann mit der Abschirmung vergleichbar sein, die rein metallbasierte Designs bieten.
Bibliographie
Bauen Sie leichtere und kostengünstigere Produkte mit leitfähigen Kunststoffen, TE Connectivity
Ansprechpartner für elektrisch leitfähige Polymerverbundwerkstoffe, Fraunhofer
Erkundung des Reichs der elektrisch leitfähigen Kunststoffe, Jamcor
Einblicke in leitfähige Kunststoffe und moderne Dispesionen
TE Connectivity nutzt ALS zur Verbesserung leitfähiger Kunststoffe, Berkeley Lab