Innowacyjna alternatywa do tradycyjnych, zawierających Ag/Al materiałów do ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI

Zmieniające się wymagania dotyczące zastosowań, coraz bardziej ekstremalne warunki środowiskowe oraz rosnąca presja na koszty zaopatrzenia skłaniają projektantów do zwrócenia większej uwagi na materiały przewodzące stosowane w uszczelkach. Nowoczesne układy elektroniczne są gęściej upakowane i działają przy wyższych częstotliwościach. Konieczne jest też spełnienie wymogu dłuższej żywotności w trudnych warunkach zewnętrznych, co dotyczy szczególnie przemysłu morskiego. Czynniki te przyczyniają się do rosnącego zapotrzebowania na alternatywne materiały, które zapewniają większą trwałość i opłacalność bez pogorszenia parametrów ekranowania.

Z tych powodów materiał zawierający nikiel i aluminium (Ni/Al) stał się najbardziej atrakcyjną opcją, która zyskuje coraz większą popularność. Technologia z użyciem tych wypełniaczy przewodzących została pierwotnie opracowana z myślą o systemach wymagających jeszcze większej odporności na korozję niż ta, jaką zapewniają tradycyjne materiały z Ag/Al. Przewodzące uszczelki elastomerowe z Ni/Al są obecnie coraz częściej uznawane za wysokowydajne i ekonomiczne rozwiązanie w zakresie ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI w elektronice w branży militarnej, morskiej, telekomunikacji i przemyśle.

Historia materiałów przewodzących

Przewodzące uszczelki elastomerowe odgrywają kluczową rolę w ekranowaniu przeciwzakłóceniowym EMI od czasu wynalezienia przez firmę Parker Chomerics pierwszego produktu tego typu w 1961 r. W pierwszych rozwiązaniach wykorzystywano materiały silikonowe zawierające srebro oraz kombinację srebra i miedzi, aby zapewnić ciągłość elektryczną między spoinami, złączami i interfejsami obudowy, zapobiegając wydostawaniu się energii elektromagnetycznej z wrażliwego sprzętu elektronicznego lub jej przedostawaniu się do tego sprzętu.

Nowoczesne przewodzące uszczelki elastomerowe nadal spełniają to samo podstawowe zadanie, ale materiały i poziom zaawansowania inżynierii znacząco ewoluowały. Współczesne uszczelki przewodzące stanowią połączenie spoiw silikonowych, fluorosilikonowych lub EPDM z szeroką gamą wypełniaczy przewodzących, w tym posrebrzanego aluminium, posrebrzanej miedzi, niklowanego grafitu oraz kombinacji niklu i aluminium.

W trudnych warunkach otoczenia, w których występują wilgotność, skraplanie, mgła solna i wahania temperatury, preferowanym wyborem pozostają wypełniacze kompatybilne z aluminium, takie jak Ag/Al i Ni/Al. Oba te materiały zapewniają skuteczne ekranowanie przeciwzakłóceniowe EMI, minimalizując jednocześnie interakcje galwaniczne z aluminiowymi kołnierzami i obudowami powszechnie stosowanymi w elektronice w branżach lotniczej, morskiej i obronnej.

Jednak, pomimo podobnych obszarów zastosowań, parametry eksploatacyjne materiałów Ni/Al i Ag/Al różnią się pod kilkoma istotnymi względami.

Korozja

Jedną z głównych zalet elastomerów przewodzących z Ni/Al jest ich doskonała odporność na korozję galwaniczną i degradację środowiskową. Materiały z Ni/Al minimalizują te niepożądane efekty, oferując znacznie niższą aktywność galwaniczną w stosunku do podłoży aluminiowych. W porównaniu z materiałami z Ag/Al materiał z Ni/Al może zmniejszyć korozję galwaniczną o około 60%, zapewniając znacznie lepszą długoterminową stabilność w trudnych warunkach otoczenia.

Ta cecha jest szczególnie korzystna w przypadku systemów morskich, pojazdów militarnych i zewnętrznej infrastruktury komunikacyjnej, a także innych zastosowań, w których sprzęt musi działać niezawodnie przez wiele lat, wymagając jedynie minimalnej konserwacji.
Poza samą odpornością na korozję zwiększona trwałość uszczelek z Ni/Al zapewnia dłuższy okres eksploatacji i mniejsze wymagania w zakresie konserwacji, nie wspominając o obniżonych kosztach napraw w terenie. W przypadku systemów o kluczowym znaczeniu, których przestój lub awaria wiąże się z poważnymi konsekwencjami operacyjnymi, te korzyści dotyczące cyklu eksploatacji stają się bardzo istotne.

Rysunek 1. Osprzęt testowy

Wykres 1. Masa próbki korozyjnej

Rysunek 2. Zdjęcie próbki korozyjnej po 504 godz. od rozpylenia solanki/mgły solnej

Błędne przekonania dotyczące przewodności elektrycznej

Pomimo wyraźnych korzyści niektórzy inżynierowie nadal podchodzą z rezerwą do stosowania materiałów z Ni/Al ze względu na powszechne błędne przekonanie dotyczące przewodności elektrycznej.

Na pierwszy rzut oka dane wydają się przemawiać na korzyść materiałów z Ag/Al. Elastomery z Ni/Al wykazują większy objętościowy opór właściwy wynoszący około 100 mΩ·cm w porównaniu z 8 mΩ·cm w przypadku Ag/Al. Mówiąc prościej, przy zastosowaniu prądu stałego, materiał z Ni/Al ma zatem nieco mniejszą przewodność.

W przypadku zastosowań, w których główny nacisk kładzie się na uziemienie, różnica ta może pozostać istotna. W praktyce jednak elastomery przewodzące z Ni/Al zapewniają doskonałą skuteczność ekranowania przy niemalże wszystkich rzeczywistych częstotliwościach roboczych, a w niektórych zastosowaniach przewyższają właściwości Ag/Al nawet o 20 dB. Aby dowiedzieć się, jak to możliwe, należy najpierw zrozumieć, że na skuteczność ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI mają wpływ trzy właściwości materiału, a mianowicie nie tylko przewodność, ale także przenikalność magnetyczna i przenikalność elektryczna.

Należy zastanowić się nad znaczeniem każdego z tych terminów. Przewodność określa, z jaką łatwością materiał umożliwia przepływ elektronów, natomiast przenikalność magnetyczna określa, jak skutecznie materiał utrzymuje pola magnetyczne w swoim wnętrzu. Przenikalność elektryczna odnosi się do interakcji materiału z polami elektrycznymi, a szczególnie do jego zdolności do magazynowania i uwalniania energii.

Chociaż przewodność jest oczywiście ważna, wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych coraz bardziej istotna staje się przenikalność magnetyczna. To rozróżnienie wyjaśnia, dlaczego materiał o niższej przewodności prądu stałego może nadal zapewniać doskonałe właściwości ekranowania przy wyższych częstotliwościach.

Czas na refleksję

Gdy fale elektromagnetyczne napotykają materiał ekranujący, do tłumienia przyczyniają się dwa podstawowe mechanizmy: straty związane z odbiciem i straty związane z pochłanianiem.

Straty związane z odbiciem powstają z powodu niezgodności impedancji między przychodzącą falą elektromagnetyczną a materiałem ekranowania. Tradycyjnie materiały o wysokiej przewodności doskonale sprawdzają się w tym obszarze, szczególnie przy niższych częstotliwościach.

Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości odbicie staje się mniej dominujące, a coraz ważniejsze staje się pochłanianie. Parametry pochłaniania zależą w dużym stopniu od głębokości wnikania, czyli odległości, na jaką energia elektromagnetyczna wnika w materiał, zanim ulegnie znacznemu osłabieniu.

Głębokość wnikania zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości, na co znacząco wpływają zarówno przewodność, jak i przenikalność magnetyczna. Materiały o większej przenikalności magnetycznej generują większe straty związane z pochłanianiem, ponieważ energia elektromagnetyczna jest szybciej tłumiona w obrębie samego ekranu. Takie działanie zdecydowanie przemawia na korzyść materiałów z Ni/Al.

Dzięki wyższej przenikalności magnetycznej materiały z Ni/Al zapewniają niższą impedancję przejściową i lepsze właściwości ekranowania absorpcyjnego w zakresach roboczych o wyższych częstotliwościach. W rezultacie przewodzące elastomery z Ni/Al mogą przewyższać materiały z Ag/Al pod względem praktycznego ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI, mimo że mają nieco niższą przewodność prądu stałego.

Wpływ na aspekty ekonomiczne

Oprócz korzyści technicznych do wzrostu zainteresowania materiałami uszczelek zawierających Ni/Al przyczynia się presja komercyjna. Ceny srebra w ostatnich latach podlegały ciągłym wahaniom w wyniku globalnych trendów inwestycyjnych i rosnącego popytu przemysłowego w sektorach takich jak fotowoltaika i produkcja elektroniki. W rezultacie elastomery przewodzące z Ag/Al mogą wiązać się z niepewnością co do kosztów w procesach produkcyjnych oraz w planowaniu zakupów.

Z kolei nikiel i aluminium to metale przemysłowe występujące w większych ilościach, charakteryzujące się stosunkowo stabilnymi strukturami cenowymi i większą dostępnością. Zmniejsza to wahania kosztów materiałów, zwiększa dokładność prognozowania i obniża ogólne ryzyko w łańcuchu dostaw.

Dla producentów OEM i producentów elektroniki, którzy zarządzają złożonymi globalnymi programami, korzyści wykraczają daleko poza prostą wycenę komponentów. Całkowity koszt posiadania związany z rozwiązaniami z Ni/Al może okazać się znacznie niższy, gdy weźmie się pod uwagę takie czynniki, jak awarie spowodowane korozją, wymagania konserwacyjne, częstotliwość wymiany uszczelek oraz ryzyko związane z gwarancją. Dłuższa żywotność i większa odporność na czynniki środowiskowe dodatkowo wzmacniają argumenty przemawiające za tym rozwiązaniem z ekonomicznego punktu widzenia.

Materiały opracowane z myślą o wymagających zastosowaniach

Aby wspomóc szerokie możliwości zastosowań na rynku, firma Parker Chomerics opracowała bogatą ofertę materiałów do ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI, w których zastosowano proszki Ni/Al wytwarzane we własnym zakresie. Powstałe w ten sposób produkty są obecnie odpowiednie do większości typowych zastosowań związanych z ekranowaniem przeciwzakłóceniowym EMI.

Przykładowo produkt CHO-SEAL® 6502 to rozwiązanie na bazie silikonu odpowiednie do większości środowisk, natomiast w produkcie CHO-SEAL® 6503 wykorzystano fluorosilikon na potrzeby zastosowań wymagających odporności na działanie płynów węglowodorowych. Produkt CHO-SEAL® 6460 stanowi elektroprzewodzącą alternatywę na bazie EPDM do zastosowań w miejscach narażonych na działanie płynów do dekontaminacji nuklearnej, biologicznej lub chemicznej.

Oprócz konwencjonalnych uszczelek wytłaczanych i formowanych firma Parker Chomerics oferuje również technologię z wykorzystaniem Ni/Al w konfiguracjach formowanych na miejscu (ang. form-in-place, FIP) i uszczelniających. Przykładowo produkt CHO-FORM® 5560 to termoutwardzalny przewodzący materiał silikonowy do zastosowań w pozwalających zaoszczędzić miejsce uszczelkach FIP, natomiast produkty CHO-BOND® 1077 i CHO-BOND® 1018 zapewniają przewodzące uszczelnienia spoin i wypełnianie szczelin w zaawansowanych konstrukcyjnie obudowach.

Co ważne, wszystkie te materiały cechują się również odpornością na impulsy elektromagnetyczne (EMP), co umożliwia zastosowania w krytycznych obszarach obronności i infrastruktury.

Najnowsza generacja materiałów

Elastomery przewodzące Ni/Al nie są już tylko tańszą alternatywą do tradycyjnych materiałów z Ag/Al, ale coraz częściej zapewniają rzeczywistą poprawę pod względem technicznym na potrzeby nowoczesnych zastosowań w ekranowaniu przeciwzakłóceniowym EMI. Poprzez połączenie wysokiej skuteczności ekranowania, doskonałej odporności na korozję, zwiększonej wytrzymałości na czynniki środowiskowe i bardziej stabilnych warunków ekonomicznych rozwiązania z Ni/Al ściśle odpowiadają zmieniającym się wymaganiom sektorów takich jak obronność, przemysł morski, telekomunikacja i elektronika przemysłowa.