Se han propuesto nanotubos de carbono (CNT) para reducir el desgaste por fricción en conectores utilizados en entornos de alta vibración, como los vehículos. También se pueden usar para hacer contactos con menor resistencia de contacto y mayor resistencia a la corrosión en comparación con el revestimiento de plata (Ag), y se han usado para reducir el peso en algunos cables blindados en un 25 % o más para su uso en aplicaciones sensibles al peso como satélites, aviones y equipos usados por soldados.
Reducción del desgaste
El desgaste por fricción puede ser un desafío en cualquier aplicación sujeta a vibraciones, incluidos vehículos y sistemas industriales. Desgasta el material de los contactos y puede atrapar residuos en los contactos, lo que aumenta la resistencia de los contactos.
La lubricación de las superficies de contacto puede reducir el desgaste por fricción. Por lo general, no es una opción en conectores eléctricos, ya que los lubricantes líquidos disponibles tienen una resistividad relativamente alta y aumentan la resistencia de contacto eléctrico (ECR) general. Otras opciones incluyen grasas y lubricantes sólidos como el grafito, los cuales tienen sus propios inconvenientes y pueden reducir el desgaste pero aumentar la ECR.
Se han investigado lubricantes como el negro de carbón y los CNT basados en nanopartículas de carbono (CNP) como una posible herramienta para reducir el desgaste por fricción sin el consiguiente aumento de la ECR. Los CNT tienen el beneficio adicional de proporcionar una protección superior contra la oxidación. En un caso, se probó una serie de recubrimientos de CNT con diferentes espesores para determinar su eficacia para reducir el desgaste por fricción.
Como era de esperar, los recubrimientos más gruesos demostraron un mejor rendimiento frente al desgaste. Como resultado sorprendente, los recubrimientos más gruesos también mejoraron el ECR en comparación con el cobre desnudo. Bajo ciclos de desgaste prolongados (hasta 500,000 ciclos), los recubrimientos de CNT se desplazaron, reduciendo en cierta medida la protección contra el desgaste, pero luego se estabilizaron y demostraron una ECR reducida en comparación con los contactos sin recubrimiento. Los contactos recubiertos con CNT también pueden soportar cargas más altas durante el desgaste sin experimentar un desgaste excesivo.
Resistencia a la corrosión
En otra serie de pruebas, una película compuesta de CNT de plata (Ag) produjo una ECR más baja en comparación con un revestimiento de Ag puro después de una prueba de corrosión con gas de sulfuro de hidrógeno (H2S). El deslustre o la sulfuración de Ag es una causa común de corrosión y rendimiento reducido en los contactos de conectores chapados en Ag. La película de Ag/CNT se colocó sobre los contactos mediante un proceso de revestimiento sin cianuro. Puede proporcionar una alternativa futura a las prácticas actuales en las que se recubre Ag sobre contactos eléctricos mediante un sistema de revestimiento de cianuro.
La película de Ag pura tuvo la ECR más baja antes de la exposición al H2S. El mejor rendimiento del revestimiento de Ag puro fue especialmente notable con fuerzas de carga de contacto más bajas. Antes de la exposición al H2S, la película compuesta de Ag/CNT tenía una ECR ligeramente mayor en comparación con la Ag pura. Sin embargo, después de la exposición al H2S, el compuesto Ag/CNT mostró una ECR mucho menor en comparación con el revestimiento de Ag puro (Figura 1 y XNUMX).
Blindaje ligero
Los cables blindados más livianos que utilizan blindajes CNT pueden generar grandes ahorros de peso en plataformas como los satélites, donde poner en órbita cada libra de peso cuesta hasta $50,000 300. Los vehículos aéreos no tripulados (UAV), como los drones, pueden experimentar reducciones de peso de XNUMX libras o más utilizando cableado blindado basado en CNT. Además, las reducciones de peso pueden ampliar las capacidades operativas de aviones tripulados, vehículos terrestres e incluso soldados que transportan equipos de menor peso.
Los blindajes basados en CNT tienen una resistividad relativamente alta que da como resultado un rendimiento de blindaje inferior por debajo de aproximadamente 100 MHz. Tampoco pueden proporcionar protección contra los rayos. Como resultado, se están desarrollando blindajes basados en CNT para su uso en cables de doble trenzado que se encuentran comúnmente en sistemas aeroespaciales. Una trenza metálica convencional que proporciona blindaje de baja frecuencia y protección contra iluminación se combina con un blindaje de cinta CNT que proporciona blindaje de alta frecuencia. La lámina de CNT pesa mucho menos que la trenza metálica que reemplaza, y el sistema combinado pesa aproximadamente un 25% menos que un sistema de blindaje convencional que utiliza dos pantallas trenzadas de metal (Figura 2 y XNUMX).
Se están desarrollando cables híbridos CNT/metal blindados para aplicaciones MIL-STD-1553B e IEEE 1394. La mejora de los procesos de fabricación para la producción de cables blindados con CNT sigue siendo un obstáculo que superar. Los procesos actuales no son adecuados para la fabricación en grandes volúmenes y adolecen de rendimientos limitados.
Resumen
Se espera que los CNT mejoren el rendimiento de las interconexiones de varias maneras. Se ha demostrado que el revestimiento de CNT en los contactos aumenta la resistencia de los contactos al desgaste por fricción y reduce el efecto de la corrosión por sulfuración en los contactos de Ag. Se están desarrollando cables híbridos CNT/metal blindados para reducir el peso de los cables blindados en aplicaciones aeroespaciales y de otro tipo.
Referencias
Nanotubos de carbono en interconexiones, Wikipedia
Nanotubo de carbono Tecnología Promete una revolución en cableado, TE Connectivity
Avances recientes en nanorrecubrimientos de metales/aleaciones para nanotubos de carbono basados en revestimientos no electrolíticos, fronteras en la química
Características superiores de contacto eléctrico de películas compuestas de Ag/CNT formadas en un baño de revestimiento sin cianuro y probadas contra la corrosión por gas H2S, Materials Letters
Reducción del desgaste mediante revestimientos CNT en contactos eléctricos sujetos a fricción, letras de tribología