Se ti è mai capitato di tenere in mano un componente elettronico che è sopravvissuto a una caduta da un banco di lavoro, l'elettronica sotto il cofano di un'auto che attraversa buche e sbalzi di temperatura, o persino un componente aerospaziale che è volato attraverso aria turbolenta, hai sperimentato lo smorzamento delle vibrazioni sul lavoro. La maggior parte delle persone non pensa al silenzioso cavallo di battaglia che rende possibile tale durabilità, ma per gli ingegneri che progettano per ambienti ad alte vibrazioni, il silicone dei componenti è molto più di un semplice sigillante o riempitivo: è la spina dorsale di una gestione affidabile delle vibrazioni. In qualità di fornitore di componenti in silicone con decenni di esperienza nel supportare settori dall'automotive ai controlli industriali, ho visto in prima persona come questo materiale surclassa altre opzioni, ma solo quando si capisce come le sue proprietà uniche si traducono in prestazioni di smorzamento delle vibrazioni nel mondo reale.
Per iniziare, analizziamo perché le vibrazioni sono un problema così critico per i componenti elettronici e meccanici. Le vibrazioni, siano esse dovute al rumore della strada, al funzionamento del motore o alla turbolenza atmosferica, creano stress ciclico su minuscoli giunti saldati, sensori delicati e circuiti stampati. Nel tempo, questo stress porta a guasti per fatica: crepe nelle saldature, connettori allentati e sensori disallineati, anche se il componente non si surriscalda o si bagna. È qui che entrano in gioco i materiali antivibranti: il loro compito è assorbire l'energia ciclica, convertirla in una piccola quantità di calore e impedire che danneggi le parti sensibili. Il silicone componente è particolarmente adatto a questo scopo grazie alla sua struttura molecolare: catene polimeriche siliconiche lunghe e flessibili che possono allungarsi e riorientarsi senza rompersi, abbinate a una bassa temperatura di transizione vetrosa (Tg) che significa che rimane flessibile anche in condizioni fredde dove altri materiali si induriscono e si rompono.
Confrontiamolo con materiali alternativi comuni per metterlo in prospettiva. Le resine epossidiche, ad esempio, sono rigide e offrono un buon supporto strutturale, ma la loro elevata Tg significa che diventano fragili a temperature sotto lo zero, trasformandosi in un cattivo smorzatore di vibrazioni proprio quando attrezzature come macchine agricole o veicoli fuoristrada lavorano in inverno. Gli uretani sono leggermente più flessibili delle resine epossidiche, ma possono degradarsi a causa dell'esposizione ai raggi UV o alle alte temperature (come l'ambiente sotto il cofano a 120°C che molti componenti automobilistici devono affrontare), portando a una perdita di prestazioni di smorzamento nel tempo. Il silicone componente, d'altro canto, mantiene la sua flessibilità in un intervallo di temperature compreso tra -60°C e 200°C per molte formulazioni, che è esattamente l'intervallo in cui opera la maggior parte delle applicazioni con forti vibrazioni.
Ora entriamo nei parametri prestazionali specifici che contano per lo smorzamento delle vibrazioni. Il numero chiave qui è la tangente di perdita (tan δ), che misura la capacità di un materiale di dissipare l'energia vibrazionale. Un valore tan δ superiore a 0,1 significa che un materiale è efficace nello smorzamento; valori superiori a 0,3 indicano che è altamente efficace. La maggior parte dei siliconi componenti per lo smorzamento delle vibrazioni hanno un tan δ compreso tra 0,2 e 0,5 nell'intero intervallo di temperature operative, che supera sia le resine epossidiche (tipicamente tan δ < 0,1) sia persino molti materiali specializzati nello smorzamento delle vibrazioni uretanici (che spesso scendono al di sotto di 0,1 a temperature estreme). Ciò significa che quando un componente sigillato o sigillato con silicone è esposto a vibrazioni, assorbe il 20–50% di tale energia ciclica, anziché lasciarla trasferire direttamente alle parti interne.
Ma non è solo l'abbronzatura δ che conta: il modo in cui viene applicato il silicone fa un'enorme differenza. I composti siliconici bicomponenti, ad esempio, polimerizzano per formare uno strato uniforme e privo di tensioni attorno ai componenti, ideale per incapsulare i circuiti stampati che necessitano di protezione completa dalle vibrazioni. NostroComposto per impregnazione in silicone SO-820 | Materiale di incapsulamento UL 94 V-0 RTV Taiwanè formulato appositamente per questo: ha un tan δ di 0,35 a temperatura ambiente, polimerizza senza restringimento (un grande vantaggio perché il restringimento crea stress interno che può portare al guasto del componente) e soddisfa la resistenza alla fiamma UL 94 V-0 per applicazioni in cui la sicurezza antincendio è un problema. Ho lavorato con un produttore automobilistico che è passato dall'invasatura epossidica all'SO-820 per le unità di controllo del motore (ECU) e ho riscontrato un calo del 70% dei guasti legati alle vibrazioni sul campo in 18 mesi. Il motivo? La flessibilità del silicone corrispondeva al coefficiente di dilatazione termica (CTE) dei materiali del circuito stampato meglio della resina epossidica, quindi quando l'ECU si riscaldava e si raffreddava durante il funzionamento, si muoveva con la scheda invece di creare stress sui giunti di saldatura, assorbendo allo stesso tempo le vibrazioni della strada e del motore che altrimenti romperebbero le connessioni.
Per le applicazioni che non necessitano di incapsulamento completo, come la sigillatura di sensori o connettori, i siliconi RTV monocomponenti sono spesso la scelta migliore. NostroSigillante siliconico elettronico Alkoxy Rtv-1polimerizza a contatto con l'umidità, facilitando l'applicazione in loco o durante l'assemblaggio, e ha un tan δ di 0,28 tra -40°C e 150°C. Ricordo un cliente nel settore delle macchine agricole che aveva problemi con le vibrazioni dei motori dei trattori che facevano allentare i sensori di velocità. Stavano usando un adesivo per uso generale che si induriva in uno strato rigido entro un mese e il sensore si spostava. Passando al nostro sigillante siliconico alcossilico RTV-1, il sensore si è mosso leggermente con le vibrazioni, mentre le proprietà smorzanti del silicone hanno assorbito il rumore del motore ad alta frequenza che stava allentando il supporto. Hanno segnalato zero guasti ai sensori legati alle vibrazioni dopo il passaggio, il che ha consentito loro di risparmiare oltre $ 20.000 in richieste di garanzia in una singola stagione di raccolto.
Un'altra applicazione comune soggetta a forti vibrazioni è l'elettronica del sottocofano e della carrozzeria delle automobili. I sigillanti siliconici bianchi a trasferimento termico per autoveicoli hanno un duplice scopo: sigillano, dissipano il calore e smorzano le vibrazioni. NostroSigillante siliconico bianco per trasferimento di calore automobilisticoha una conduttività termica di 0,8 W/mK (molto superiore ai sigillanti siliconici standard, che sono circa 0,2 W/mK) più un tan δ di 0,3 nell'intervallo di temperature tipico del sottocofano. Per i sistemi di gestione delle batterie dei veicoli elettrici (BMS), dove i moduli sono esposti alle vibrazioni della strada e devono rimanere a una temperatura costante, questo sigillante è perfetto: unisce i moduli batteria al telaio, assorbe le vibrazioni che affaticherebbero le connessioni dei moduli e allontana il calore generato durante la carica e lo scaricamento. Abbiamo collaborato con una startup produttrice di veicoli elettrici che ha testato questo sigillante rispetto al prodotto in uretano di un concorrente sui propri moduli BMS. Dopo 1.000 ore di test di vibrazione a 10 g (uno standard per i componenti automobilistici), l'uretano del concorrente aveva sviluppato microfessure che consentivano l'ingresso di umidità, mentre il nostro sigillante siliconico non mostrava segni di fessurazione e manteneva le sue proprietà di smorzamento.
Ma non tutti i siliconi dei componenti sono uguali per lo smorzamento delle vibrazioni. Ci sono alcuni fattori chiave da considerare quando si sceglie il materiale giusto per la propria applicazione. Innanzitutto, la velocità di polimerizzazione: se hai bisogno di lavorare i pezzi velocemente, un sistema a due componenti come il nostroComposto per impregnazione in silicone elettrico in 2 partiche polimerizza in 15-30 minuti a temperatura ambiente è migliore di un sistema monocomponente a polimerizzazione lenta. Se stai riparando in loco o stai applicando parti di grandi dimensioni, un sistema monocomponente come il nostroSigillante siliconico monocomponenteche guarisce in 24 ore potrebbe essere più pratico. In secondo luogo, l'intervallo di temperatura: se la tua applicazione sarà esposta a freddo o caldo estremi, assicurati che la Tg del silicone sia inferiore alla temperatura operativa più bassa e superiore a quella più alta. Molti siliconi componenti di bassa qualità hanno valori Tg intorno a -20°C, il che significa che diventano rigidi a temperature inferiori, perdendo la loro capacità di smorzamento. Tutte le nostre formulazioni focalizzate sulle vibrazioni hanno valori Tg inferiori a -50°C, quindi rimangono flessibili anche in ambienti artici o ad alta quota.
Un altro fattore spesso trascurato è l'adesione. Uno smorzatore di vibrazioni funziona solo se è collegato correttamente ai componenti che protegge. Se il silicone si separa dal circuito stampato o dall'alloggiamento, non può assorbire energia, provocando lo stesso guasto che si avrebbe senza smorzatore. Ecco perché tutti i nostri siliconi componenti sono formulati con promotori di adesione adatti a substrati comuni come circuiti stampati FR-4, alloggiamenti in alluminio e involucri in plastica. Offriamo inoltre linee guida per il trattamento della superficie per garantire un incollaggio adeguato, poiché anche il materiale migliore non funzionerà se applicato in modo errato.
Ho visto progetti in cui gli ingegneri sono passati a un silicone con δ marrone chiaro più elevato ma hanno comunque riscontrato problemi di vibrazione perché non hanno preparato correttamente la superficie, portando alla delaminazione dopo alcuni mesi di utilizzo. È un passaggio semplice, ma fa un'enorme differenza nelle prestazioni nel mondo reale.
Parliamo anche di durabilità a lungo termine, perché lo smorzamento delle vibrazioni non è una cosa una tantum. Molti materiali perdono le loro proprietà di smorzamento nel tempo a causa dell'esposizione ambientale: luce UV, sostanze chimiche o cicli di temperatura. Il silicone dei componenti, in particolare i nostri gradi appositamente formulati, ha un'eccellente resistenza a questi fattori. Ad esempio, il composto per impregnazione siliconico SO-820 è stato testato per 10 anni di esposizione all'esterno e conserva ancora il 90% della sua abbronzatura originale δ. Ciò è fondamentale per applicazioni come pannelli di controllo industriali in località remote o attrezzature agricole esposte a polvere, umidità e raggi UV derivanti dall'esposizione al sole. Un cliente del settore minerario ha utilizzato il nostro composto per impregnazione siliconico elettrico in due parti sui sensori utilizzati nelle apparecchiature di perforazione, che funzionano a temperature comprese tra -10°C e 80°C ed sono esposte a vibrazioni costanti ad alta frequenza. Dopo tre anni sul campo, il tasso di guasto su questi sensori era inferiore allo 0,5%, rispetto al 12% quando utilizzavano un composto di uretano che si degradava a causa della polvere e del calore.
Ora, voglio essere trasparente su quali componenti in silicone potrebbero non essere la scelta migliore. Se hai bisogno di un legame strutturale rigido o lavori in applicazioni a temperature molto elevate superiori a 200°C (per questi, le resine epossidiche caricate con ceramica o le leghe metalliche sono migliori), il silicone dei componenti potrebbe non essere adatto. Ma per il 90% delle applicazioni soggette a forti vibrazioni (elettronica automobilistica, controlli industriali, componenti aerospaziali, attrezzature agricole e persino dispositivi elettronici di consumo come gli smartphone che cadono regolarmente) è l'opzione più affidabile ed economica. Il costo iniziale potrebbe essere leggermente superiore rispetto a quello delle resine epossidiche o degli adesivi generici, ma i risparmi a lungo termine derivanti dalla riduzione delle richieste di garanzia, dal minor numero di guasti sul campo e dalla maggiore durata dei componenti valgono l'investimento.
Se stai lavorando a un progetto in cui le vibrazioni sono un problema o stai cercando di aggiornare la tua attuale soluzione di smorzamento, ti incoraggio a contattare il nostro team. Abbiamo aiutato centinaia di clienti in tutti i settori a selezionare il silicone per componenti giusto per le loro specifiche esigenze di vibrazione, temperatura e applicazione e possiamo fornire formulazioni personalizzate, supporto per i test e guida tecnica per garantire che i tuoi componenti rimangano affidabili anche nelle condizioni più difficili.
Riferimenti
- Landrock, AH (1995).Manuale sulla tecnologia degli adesivi(2a ed.). Pubblicazione di William Andrew.
- ASTM D4065 – 21, Metodo di prova standard per le materie plastiche: Proprietà meccaniche dinamiche: trazione, flessione e impatto a temperature superiori e inferiori alla temperatura ambiente. ASTM Internazionale.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, metodo di prova standard per i test ambientali delle apparecchiature elettroniche per i trasporti.
- Silva, MF, et al. (2005). Caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni dei compositi a base di silicone per applicazioni automobilistiche.Test sui polimeri, 24(7), 884–890.