Nhựa cơ bản có khả năng cách điện, nhưng với các chất phụ gia thích hợp, chúng có thể trở nên dẫn điện. Nhựa dẫn điện có thể được sử dụng để thay thế các thành phần kim loại và cải thiện tính bền vững trong một số lĩnh vực xây dựng đầu nối. Chúng tiêu tốn ít năng lượng hơn để chế tạo và nhẹ hơn, giúp giảm trọng lượng hệ thống, một yếu tố rất quan trọng trong các ứng dụng như xe điện (EV). Trọng lượng nhẹ hơn của chúng cũng làm giảm lượng khí thải nhà kính liên quan đến vận tải và hậu cần.
Câu hỏi thường gặp này xem xét ba mức độ dẫn điện có trong nhựa, bao gồm bảo vệ chống tĩnh điện, bảo vệ chống phóng tĩnh điện (ESD) và che chắn nhiễu điện từ (EMI). Sau đó, nó xem xét cách có thể chế tạo nhựa dẫn điện bằng cách sử dụng muội than, sợi cacbon, ống nano cacbon (CNT) và các hạt kim loại, sử dụng phương pháp vi phẫu ALS để tối ưu hóa việc chế tạo nhựa dẫn điện và kết thúc bằng so sánh hiệu suất che chắn EMI của nhựa dẫn điện so với tấm chắn kim loại thông thường.
Điện trở suất bề mặt lớn hơn 1014 Ohm-cm được coi là chất cách điện. Ba mức điện trở suất trong nhựa dẫn điện là:
- 1012 để 106 Ohm-cm, dùng để bảo vệ chống tĩnh điện,
- 106 để 104 Ohm-cm, được sử dụng để bảo vệ ESD và
- Dưới đây 104 Ohm-cm, được sử dụng để che chắn EMI.
Các chất phụ gia sterate như pentaerythritol tetrastearate (PETS), còn được gọi là este pentaerythritol nitrat, thường được sử dụng để bảo vệ chống tĩnh điện. Sản xuất nhựa dẫn điện đòi hỏi sự cân bằng giữa chi phí, độ dẫn điện, độ bền cơ học và khả năng làm việc của vật liệu. Ngoài các chất phụ gia sterate, các chất phụ gia khác bao gồm từ muội than đến các hạt kim loại.
Than đen không đắt tiền và được sử dụng rộng rãi để tạo ra nhựa dẫn điện nhằm bảo vệ chống tĩnh điện và che chắn EMI hiệu suất thấp hơn.
Sợi cacbon có tính dẫn điện cao hơn cacbon đen và tăng thêm độ bền cơ học. Họ sản xuất nhựa dẫn điện nhẹ dùng cho các bộ phận kết cấu trong ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ.
CNT được sử dụng để sản xuất nhựa dẫn điện có đặc tính chống tĩnh điện và che chắn EMI cho các linh kiện điện tử như cảm biến và bộ truyền động.
Các hạt kim loại phân tán mịn như bạc hoặc đồng cũng được sử dụng để sản xuất nhựa dẫn điện. Những loại nhựa này có độ dẫn điện cao hơn so với các chất độn gốc carbon và được sử dụng để cung cấp lớp bảo vệ EMI cho các đầu nối và vỏ của các thiết bị điện tử.
Xử lý vấn đề
Việc xử lý nhựa chứa đầy các hạt kim loại phân tán có tác động lớn đến hiệu suất. Các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp vi mô nguồn sáng (ALS) tiên tiến để nghiên cứu chế tạo nhựa bằng các hạt kim loại phân tán mịn. Hệ thống ALS kết hợp luồng tia X và ánh sáng hồng ngoại rất cao để chụp ảnh ba chiều về cấu trúc bên trong của vật liệu có độ phân giải nanomet hoặc micromet.
Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học đã chế tạo một giai đoạn gia nhiệt đặc biệt ở đường truyền tia ALS để họ có thể quan sát nhựa dẫn điện ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Trước khi ủ, các bộ phận đúc được bơm vào có độ dẫn điện kém. Trong quá trình ủ, các hạt đồng và thiếc trong mẫu được phân phối lại và độ dẫn điện được cải thiện đáng kể. Hiểu cách ủ cải thiện độ dẫn điện sẽ hỗ trợ các quy trình chế tạo được cải thiện (Hình 1).
Linh hoạt và bền vững
Ngoài việc cải thiện tính bền vững, nhựa dẫn điện còn hỗ trợ tính linh hoạt cao hơn trong thiết kế đầu nối. Đối với các ứng dụng như hệ thống ô tô, nhựa dẫn điện có thể mang lại sự ổn định về môi trường, khả năng tái chế, tiết kiệm trọng lượng và hiệu suất cơ học cao. Nhựa dẫn điện cũng có thể hỗ trợ các hệ số dạng nhỏ và hình học phức tạp cần thiết cho đầu nối trong các ứng dụng xử lý dữ liệu và truyền thông.
Các loại nhựa khác nhau có thể được sử dụng để hỗ trợ các yêu cầu về hiệu suất chi phí cụ thể và nồng độ của chất độn kim loại có thể được tinh chỉnh để cung cấp mức độ che chắn cần thiết. Việc sử dụng nhựa thông thường đòi hỏi phải bổ sung thêm tấm chắn kim loại bằng cách sử dụng các phương pháp lắng đọng, mạ, dập hoặc chế tạo khác, điều này làm tăng thêm độ phức tạp và chi phí.
Tấm chắn emi nhựa dẫn điện tốt như thế nào?
Tấm chắn EMI bằng nhựa dẫn điện có thể mang lại mức hiệu suất tương đương với tấm chắn kim loại nếu sử dụng loại nhựa phù hợp. Ví dụ, tổn thất chèn và hiệu suất nhiễu xuyên âm của hai loại nhựa dẫn điện được so sánh với các thành phần kim loại. Vỏ nhựa thể hiện hiệu suất gần như giống hệt với phần kim loại (Hình 2).
Tổng kết
Nhựa dẫn điện góp phần tạo nên sự bền vững vì chúng cần ít năng lượng hơn để sản xuất và mang lại khả năng che chắn nhẹ hơn so với các lựa chọn che chắn bằng kim loại. Bằng cách tinh chỉnh mật độ của các hạt kim loại phân tán trong nhựa và kiểm soát quá trình ủ, hiệu suất che chắn EMI có thể được kiểm soát. Nó có thể được so sánh với lớp che chắn được cung cấp bởi các thiết kế dựa trên kim loại nguyên chất.
dự án
Tạo ra các sản phẩm nhẹ hơn, ít tốn kém hơn bằng nhựa dẫn điện, TE Connectivity
Liên hệ cho vật liệu tổng hợp polyme dẫn điện, Fraunhofer
Khám phá lĩnh vực nhựa dẫn điện, Jamcor
Hiểu biết sâu sắc về nhựa dẫn điện, phân tán hiện đại
TE Connectivity sử dụng ALS để cải thiện nhựa dẫn điện, Phòng thí nghiệm Berkeley