Basiskunststoffen zijn elektrisch isolerend, maar met de juiste additieven kunnen ze geleidend worden. Elektrisch geleidende kunststoffen kunnen worden gebruikt om metalen componenten te vervangen en de duurzaamheid op verschillende gebieden van de connectorconstructie te verbeteren. Ze kosten minder energie om te fabriceren en zijn lichter, waardoor het systeemgewicht afneemt, een zeer belangrijke overweging bij toepassingen zoals elektrische voertuigen (EV's). Hun lichtere gewicht vermindert ook de uitstoot van broeikasgassen die verband houden met transport en logistiek.
In deze FAQ worden de drie geleidbaarheidsniveaus van kunststoffen besproken, waaronder antistatische bescherming, bescherming tegen elektrostatische ontladingen (ESD) en afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI). Vervolgens wordt gekeken naar hoe elektrisch geleidende kunststoffen kunnen worden vervaardigd met behulp van carbon black, koolstofvezels, koolstofnanobuisjes (CNT's) en metaaldeeltjes, het gebruik van ALS-microtomografie om de productie van geleidende kunststoffen te optimaliseren en wordt afgesloten met een vergelijking van de EMI-afschermingsprestaties van geleidende kunststoffen versus conventionele metalen afscherming.
Een oppervlakteweerstand groter dan 1014 Ohm-cm wordt beschouwd als een isolator. De drie weerstandsniveaus in geleidende kunststoffen zijn:
- 1012 naar 106 Ohm-cm, gebruikt voor antistatische bescherming,
- 106 naar 104 Ohm-cm, gebruikt voor ESD-bescherming, en
- Hieronder 104 Ohm-cm, gebruikt voor EMI-afscherming.
Steraatadditieven zoals pentaerythritoltetrastearaat (PETS), ook wel pentaerythritolnitraatester genoemd, worden doorgaans gebruikt om antistatische bescherming te bieden. Bij de productie van geleidende kunststoffen zijn afwegingen nodig tussen kosten, geleidbaarheid, mechanische sterkte en verwerkbaarheid van het materiaal. Naast steraatadditieven variëren andere additieven van roet tot metaaldeeltjes.
Carbon black is goedkoop en wordt veel gebruikt om geleidende kunststoffen te maken voor antistatische bescherming en EMI-afscherming met lagere prestaties.
Koolstofvezels zijn beter geleidend dan roet en voegen mechanische sterkte toe. Ze produceren lichtgewicht geleidende kunststoffen die worden gebruikt voor structurele componenten in auto- en ruimtevaarttoepassingen.
CNT's worden gebruikt om geleidende kunststoffen te produceren met antistatische en EMI-afschermende eigenschappen voor elektronische componenten zoals sensoren en actuatoren.
Fijn verspreide metaaldeeltjes zoals zilver of koper worden ook gebruikt om geleidende kunststoffen te produceren. Deze kunststoffen hebben een hogere elektrische geleidbaarheid vergeleken met op koolstof gebaseerde vulstoffen en worden gebruikt om EMI-afscherming te bieden voor connectoren en behuizingen voor elektronische apparaten.
Verwerkingszaken
De verwerking van kunststoffen gevuld met verspreide metaaldeeltjes heeft een grote impact op de prestaties. Wetenschappers hebben geavanceerde lichtbronmicrotomografie (ALS) gebruikt om de fabricage van kunststoffen met fijn verspreide metaaldeeltjes te bestuderen. Het ALS-systeem combineert een zeer hoge flux van röntgenstraling en infrarood licht om driedimensionale beelden vast te leggen van de interne structuur van een materiaal met een resolutie van nanometer of micrometer.
In één experiment bouwden wetenschappers een speciale verwarmingsfase op de ALS-bundellijn, zodat ze geleidende kunststoffen bij verschillende temperaturen konden observeren. Voorafgaand aan het uitgloeien hadden de spuitgegoten componenten een slechte geleidbaarheid. Tijdens het uitgloeien werden de koper- en tindeeltjes in het monster herverdeeld en werd de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verbeterd. Begrijpen hoe gloeien de geleidbaarheid verbetert, zal verbeterde fabricageprocessen ondersteunen (Figuur 1).
Flexibiliteit en duurzaamheid
Naast het verbeteren van de duurzaamheid ondersteunen geleidende kunststoffen een grotere flexibiliteit in connectorontwerpen. Voor toepassingen zoals autosystemen kunnen geleidende kunststoffen zorgen voor milieustabiliteit, recycleerbaarheid, gewichtsbesparing en hoge mechanische prestaties. Geleidende kunststoffen kunnen ook de kleine vormfactoren en complexe geometrieën ondersteunen die nodig zijn voor connectoren in gegevensverwerkings- en communicatietoepassingen.
Er kunnen verschillende kunststoffen worden gebruikt om aan specifieke kosten-prestatie-eisen te voldoen, en de concentratie van de metaalvulstoffen kan worden verfijnd om het benodigde niveau van afscherming te bieden. Het gebruik van conventionele kunststoffen vereist de toevoeging van een metalen schild met behulp van afzetting, galvanisering, stempelen of andere fabricageopties die de complexiteit en kosten vergroten.
Hoe goed zijn geleidende plastic emi-schilden?
Geleidende kunststof EMI-afscherming kan prestatieniveaus bieden die vergelijkbaar zijn met metalen afscherming, als de juiste kunststof wordt gebruikt. Zo werden bijvoorbeeld het insertieverlies en de overspraakprestaties van twee geleidende kunststoffen vergeleken met metalen componenten. De plastic behuizingen vertoonden vrijwel identieke prestaties als het metalen onderdeel (Figuur 2).
Samengevat
Geleidende kunststoffen dragen bij aan duurzaamheid omdat ze minder energie nodig hebben om te produceren, en ze resulteren in een lichtere afscherming vergeleken met op metaal gebaseerde afschermingsopties. Door de dichtheid van de verspreide metaaldeeltjes in het plastic nauwkeurig af te stemmen en het uitgloeiproces te controleren, kunnen de EMI-afschermingsprestaties worden gecontroleerd. Het kan vergelijkbaar zijn met de afscherming die wordt geboden door ontwerpen op basis van puur metaal.
Referenties
Lichtere, goedkopere producten bouwen met geleidende kunststoffen, TE-connectiviteit
Contacten voor elektrisch geleidende polymeercomposieten, Fraunhofer
Onderzoek naar het rijk van elektrisch geleidende kunststoffen, Jamcor
Inzichten over geleidende kunststoffen, moderne dispesies
TE Connectivity gebruikt ALS om geleidende kunststoffen te verbeteren, Berkeley Lab