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复合材料:更轻,更强,功能更强大

2018-11-28

复合材料:更轻,更强,功能更强大

虽然复合材料及其应用在航空航天和国防工业的想法已经被接受,新的功能和新的材料配方使复合材料电子产品外壳的使用值得再看一看。用复合材料取代金属外壳不仅具有金属所有的机械和电子优势,而且具有重量减少、耐腐蚀,并降低成本的增值好处。

复合材料外壳最初吸引人的地方就在于减轻了重量。在飞机和卫星上,这里节省一磅,那里节省一磅,加起来就显著降低了整体的重量,并转化为性能的提高。一架无人机可以飞更长的距离,喷气式战斗机可以实现更好的燃油经济性,并携带更多的武器。在卫星上,每一磅重量的减少,都可以节省数千美元的发射费用。然而,除了节省重量,复合材料外壳还必须满足其他应用要求的成本效益。

一个典型的复合材料开始于一个高性能工程塑料与添加的填料,以提高特性。对于电子产品外壳,塑料可能是一个高温的、可模制的热塑性塑料,如聚苯硫醚(PPS)、PEEK管材、聚醚酰亚胺(PEI)、PEEK板棒(聚醚醚酮)或液晶聚合物(LCP)等级别。实际的热塑性塑料通常取决于所需的操作温度和看得见的流体暴露的结合。虽然玻璃纤维一直是最常用来增加结构强度的填料,而碳纤维或其他导电填料则通常用来生产具有良好电磁干扰(EMI)性能的材料。金属填充物只是有可能,但通常不会选择,因为他们会增加材料的重量。

碳的加入可以是多种形式:作为碳纳米管(CNT)、石墨烯的片晶、短或长的碳纤维、碳微球和简单的碳粒子。表1总结了这些形式各自的优势。这些填充材料使塑料可以导电,以提供EMI屏蔽。大部分CNT填充塑料的电阻率能小于10吗?以厘米计,在1%至5%的填料体积和1以下?以厘米计,填料体积在5%至10%。有时候,可以通过碳系填料金属涂层来增加导电性。

碳的类型对所得到的复合材料的强度将有显著的效果。长的碳纤维可以用于增加材料强度或硬度,从而与金属的达成一样,甚至超过金属。

节省重量

大多数热塑性塑料明显比金属轻。复合材料外壳重量比对应的铝轻40%,比钢材轻80%,但增加的中空微小球状体为士兵系统,无人机和其他应用程序进一步减少了重量,而在这些地方每节省每一盎司的重量都很关键。

例如,铝的密度为2.71g/cm3。工程聚合物像PEEK或PPS是铝的一半左右,密度为1.3g/cm3至1.35g/cm3。碳微球的密度仅为0.17g/cm3。一个典型的复合材料外壳,结合了PEEK与碳纤维来增加强度,以及微球来节省重量,以获得1.4g/cm3的密度。这几乎是节省了相同尺寸零部件50%的重

EMI保护

金属外壳主要通过能量反射来提供EMI保护。当多余的能量来自外壳外部时,这是一个优势。当外壳内的电子设备辐射EMI时,能量可被反射进入电子设备,而不是消除。在另一方面,复合材料的外壳,提供了反射和吸收的结合。内部电子辐射的能量被复合材料吸收和消散了。如图3所示,在EMI测试中,以及在现实世界的表现上,复合材料可能比金属的性能好。

复合材料外壳可以方便地镀覆化学镀镍、铜或金,或它们的任意组合。从EMI的角度来看,这种性能允许在一个小的重量增加的基础上添加一个额外的屏蔽。

热量扩散

由于高分子复合材料的热导率低于铝(<1W/mK),可能需要采取一些额外的措施来驱散内部电子元件所产生的热量。有多种技术可供选择。复合材料聚合物墙壁某些区域的热传导性铝或者石墨衬垫,为当处提供了高的热传导率。更多热塑性复合材料在结构材料顶部共同成型可以覆盖更大的面积。还有其他技术,如热电冷却器或者用导热管直接把热量输送到一些合适的散热器里。

强度

复合材料是强大的、可定制的,可以提供优异的耐冲击性、拉伸强度和耐弯曲性等。此外,由于复合材料不容易凹陷或变形,因此比对应的铝坚固耐用。然而,工作温度会影响复合材料的性能,因此,很好地了解复合材料所能承受的极端温度是必要的。

环保耐用性

腐蚀是人们持续关注的关于金属的一个问题。由于电阻氧化物的堆积,铝本身是相当耐腐蚀的。然而,铝与金属,如钢和铜,形成了一个明显的原电池。这可能会导致铝金属的快速消耗,除非它有一个保护性涂层。一些长期使用的涂料,如镉,因为毒性问题不再可用。铝在电性能上也与现代飞机的碳纤维复合材料结构不能兼容。就其性质而言,复合材料外壳对腐蚀和类似的破坏原因都是免疫的。他们都可与飞机复合材料结构和典型安装硬件电气兼容。他们抵抗恶劣的化学品和溶剂,可在扩展级温度范围内工作。

模塑互连装置

为聚合物复合材料增加可选择的金属镀层的功能,开辟了零部件设计和功能的新的更高水平的灵活性。聚合物复合材料电镀层的生产模式始于一种两次注塑的成型工艺,或通过激光直接烧结,以产生模制互连装置(MID)。这种电镀模式的一种领先应用是直接在外壳内部集成天线。然而,电路追踪,无线联络和其他结构也是可能的——从本质上创建一个三维结构。MIDs将机械和电气功能集成到一个单一的增值部分,减少了部件数量,从而简化了装配,并提高了可靠性。

对于包含无线功能的商业设备,TE Connectivity(TE)是MIDs领先的供应商之一。手机和平板电脑仅仅是典型的包括这种天线的两种设备类型。对于军事和航空航天市场,外壳可以包含多个天线,复杂的三维定向天线,甚至可调谐天线。这种天线外壳往往都不容易损坏,而且通常有更少的检测能力。

复合材料外壳的进展来自于新材料技术,如碳纳米管和碳纤维,以及来自于新的制造工艺。在促进复合材料压缩成型方面,企业正在大踏步前进,同时也实现了高精度的特点。例如,TE能够提供定制的、基于聚合物和填料配方的外壳。不但能满足应用需求,而且也可以以一种具有成本效益的方式进行塑造。从传统上来说,复合材料在提供大型和复杂的三维结构方面向制造商提出了挑战。通过透彻理解聚合物复合材料的性能,基本上二维板材的焊接可以产生三维结构。其他连接技术也可用于最佳构建的生产和应用。


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