Materiały na złącza do zadań specjalnych

Przemysł elektroniczny zdominowany jest przez elektronikę konsumencką, od której najczęściej oczekuje się poprawnego funkcjonowania w przedziale od 0°C do 100°C . Bardzo łatwo jest zapewnić poprawne funkcjonowanie konektorów w takim przedziale temperatury. Natomiast jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe, wymagania temperaturowe gwałtownie rosną. Na poniższym Rysunku 1 zilustrowano kilka przykładów aplikacji o szczególnych wymaganiach temperatury pracy.

© tek.info.pl

Znaczne różnice w oczekiwanym zakresie pracy konektorów występują nawet w obrębie poszczególnych aplikacji, czego przykładem może być motoryzacja. O ile dolny próg zawsze jest ten sam (-40°C) to maksymalna temperatura różni się już znacznie. Dla komponentów stosowanych w kabinie pasażerskiej jest to 85°C, dla tych stosowanych w obrębie silnika to już 150°C, natomiast konektory monitorujące strumień wydechu muszą wytrzymać nawet 800°C (Rysunek 2).

© tek.info.pl

Mechanizm awarii konektorów

Istnieją dwa mechanizmy awarii konektora w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury. Pierwszy to utrata normalnej siły docisku, która z kolei może wynikać albo z rozszerzalności termicznej materiału sprężystego lub obudowy, albo z redukcji siły materiału sprężystego. 

Drugi mechanizm awarii konektora polega na uformowaniu się cienkiego filmu na powierzchni materiału kontaktowego, co skutkuje utratą jego przewodności. Film ten może być utworzony w efekcie wydzielania gazów przez materiały, z jakich wykonany jest konektor, lub w drodze dyfuzji i następującej po niej oksydacji metalowych części o słabszej jakości, z jakich wykonane są powierzchnie kontaktowe. 

Efektem obu mechanizmów jest nieakceptowany wzrost oporności kontaktu: redukcja siły nacisku przekłada się na mniejszą powierzchnię kontaktu i w efekcie wzrost oporności kontaktu. Co więcej, zachwiana zostaje też stabilność mechaniczna konektora, co prowadzi do sporadycznych przerw działania kontaktu.  

Materiały sprężyste dla konektorów

Ze względu na bardzo dobrą przewodność miedzi, większość materiałów stosowanych do budowy konektorów bazuje właśnie na utwardzonej miedzi (miedź poddawana jest procesowi utwardzania odkształceniowego lub wydzieleniowego). Odporność temperaturowa stopów miedzi zależy zarówno od przeprowadzonych procesów utwardzania, jak i stopnia zmieszania jej z innymi metalami. Stopy zawierające mniej niż 5% innych składników gwałtownie tracą odporność w warunkach podwyższonej temperatury. Przykładowo, czysta miedź w temperaturze 315°C wyżarza się w zaledwie 15 sekund. Stop C51000 (tj. fosfobrąz) wykazuje objawy redukcji normalnych właściwości już w 100°C, podczas gdy bardziej złożone materiały, takiej jak C72500 (Cu-Ni-Sn) wykazują jedynie niewielką utratę właściwości w temperaturze 200°C. Jednak oba materiały wykazują utratę siły nacisku w efekcie długiej ekspozycji na zwiększoną temperaturę.  

Wzmocnione w procesie utwardzania wydzieleniowego stopy jak C17200 (beryl i miedź, tzw. stop 25), C17410 (średnio utwardzony beryl i miedź, tzw. Stop 174), C7025 (Cu-Ni-Si-Mg), C7026 (Cu-Ni-Si) oraz C72900 (Cu-Zn-Sn-Fe-Pb-Mg-Mn-Ni-Nb) zarówno utrzymują właściwości w podwyższonej temperaturze, jak i utrzymują napięcie nawet przy długiej ekspozycji na temperaturę przekraczającą 200°C. Jednak, zarówno utlenianie jak i utrata siły nacisku są problemem przy temperaturach przekraczających 200°C. W tym przypadku należy rozważać inne materiały, takie jak stal nierdzewna, która ma dobre właściwości antyoksydacyjne oraz dużą sprężystość. 

Materiały kontaktowe

Materiały kontaktowe nanoszone są na materiały sprężyste za pomocą powlekania elektrolitycznego czy intarsji. Generalnie, materiały elektropowlekane przeznaczone są do pracy w niższych temperaturach niż ma to miejsce w przypadku intarsji, a to ze względu na ich wewnętrzną mikrostrukturę. W porównaniu do intarsjowanych wstawek, materiały nanoszone poprzez powlekanie elektrolityczne mają bardzo drobne ziarna. Im drobniejsze jest ziarno, tym większa jest powierzchnia boczna i tym intensywniejsze jest zjawisko dyfuzji materiałów w podwyższonej temperaturze. 

Poniższa tabela zawiera zestawienie materiałów rekomendowanych do pracy w poszczególnych limitach temperatury wraz z polecaną grubością warstwy kontaktowej. 

© tek.info.pl

Żródło: materion.com, connectorsupplier.com