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PAEK对比玻璃金属密封连接器


www.nikade.cn 2022年10月14日

    

 

      尽管传统的玻璃金属密封(GTMS)连接器可在广泛的医疗、汽车、航空航天、军事和低压地球物理应用中用作有效的密封屏障和电绝缘体,但过去三十年中发展起来的先进热塑性塑料业已证明是最极端使用环境的更好解决方案。
     在PAEK(聚芳醚酮)热塑性塑料类别中,一系列不断发展的新型PEEK(聚醚醚酮)和PEK(聚醚酮)化合物可提供飞机发动机和HPHT(高温高压)石油与天然气钻井作业等最严苛的电连接器应用所需的热稳定性、机械强度、低磨损、耐化学腐蚀、绝缘性能和引脚密度。
玻璃密封
      自17世纪开始,玻璃金属密封即被用于提供气密屏障,并逐步发展为兼具密封和电气绝缘功能。在玻璃金属密封连接器中,玻璃熔化后包覆金属引脚和封装件,在外壳与引脚之间提供导电绝缘。金属部件上需要形成可见的氧化层,以使玻璃能够流动和粘附。密封的强度受氧化层的限制。在制造过程中,还需要一个额外的步骤来清除连接器其他表面的氧化物,而这可能造成污染。
     玻璃是一种良好的电绝缘体,具有低导热性,能承受较高的工作压力和温度。然而,在极端工作条件下,玻璃金属密封的局限性就变得很明显。这些局限性是双重的:
  l 玻璃的材料特性——玻璃的刚性和脆性使其容易在高压、冲击和振动导致的机械应力下开裂,尤其是在极端的热循环下。
  l 制造工艺的约束——熔化玻璃的难度及其熔融时的粘度限制了可以使用的金属类型。
玻璃与金属匹配
      玻璃金属密封是通过高温(通常超过900°C)熔化过程,然后快速冷却形成的。建立牢固的弹性密封要求玻璃和金属材料的热膨胀系数(CTE)必须匹配。CTE是材料在经历温度变化时膨胀和收缩的程度。在加热和冷却过程中,两种材料的体积变化速度必须保持同步,否则,如果一种材料的膨胀速度比另一种材料快,就会引起热应力。
      由于玻璃所固有的刚性和脆性,对CTE不匹配的管理对于避免接合处的张力和应力至关重要,因为这可能导致空隙、玻璃与金属分离,或破坏玻璃的结构完整性。玻璃金属密封不仅要经受住制造过程中的熔化过程,还必须经受实际使用条件下的数千次热循环。
      金属与玻璃的CTE匹配要求限制了金属材料的选择范围。可伐合金(Kovar)广泛用于玻璃金属密封的封装,因为其线性热膨胀系数值5.5 ×10-6/K(20至200 °C)和4.9 × 10-6/K(400°C)与硼硅酸盐玻璃的CTE非常匹配。选用镍合金和不锈钢制成的直通引脚同样也是基于所需的热物理性质。然而,这些材料在导电性方面存在很大不足,而导电性正是电连接器的主要用途。
PEEK和PEK克服了玻璃的缺点
      PEEK和PEK电连接器的推出克服了玻璃金属连接器固有的弱点。热塑性材料的CTE不需要与金属匹配,从而可以优化金属直通引脚的电气特性。由于不用考虑热膨胀系数的匹配,因此可以根据应用需求而不是制造方法来选择导体材料。
    例如,可以利用铍铜(BeCu),它比铬镍铁合金和不锈钢具有更低的电阻。更高的导电性可以让更多的电流通过,同时产生更少的热量。这意味着更可靠的电力和信号传输。
     由于具有更高的导电性,因此可以采用更小的引脚直径,从而大大增加引脚密度,提高引脚布局设计的灵活性,进而减小连接器的整体尺寸。塑料的注塑成型工艺也比玻璃熔融工艺更适合于制造非常小的零件。与GTMS连接器相比,更轻的热塑性材料,以及更小的引脚和连接器整体尺寸,都可以显著减轻重量。在航空航天、海底和能源行业应用中,组件的重量和外形尺寸对整个子系统的性能至关重要。
    PEEK与玻璃的一个重要区别是内部密封(即包覆每个金属引脚的绝缘材料)的几何结构。PEEK连接器通过注塑成型工艺制造,其中的PEEK通过二次成型包覆到引脚上。通过这种方法,密封沿金属引脚的长度方向延伸,因此其结合比刚性玻璃密封更加耐久。玻璃密封的内应力或金属接触面的不均匀热膨胀会引起密封面出现裂纹,从而导致零件过早失效。PEEK较低的玻璃化转变温度允许在压力负载或振动下轻微变形。通过对金属触点进行二次成型,连接器容许存在轻微的配合偏差,并且不易受到安装期间的不当操作和机械冲击造成的损坏的影响。弯曲的引脚可以进行调整,无需丢弃零件。
最严苛的应用
      在可靠性和性能稳定性至关重要的应用中,如飞机发动机和深井钻井作业,PEEK和PEK电连接器具有以下几个重要优点:
    • 可靠的电力和信号传输——与最理想的金属引脚材料(如铍铜)相容
    • HPHT应用——温度高达232°C(450°F),压力高达35,000 psi;采用特种先进交联PEEK热塑性塑料时温度高达260°C(500°F),压力高达45,000 psi。适应快速、极端的压力和温度循环
    • 化学适应性——硫化氢、甲醇、钻井液、钻井产品等
    • 机械强度——适应冲击和振动,而不丧失连续性
    • 耐久性——不易受到操作不当造成的损坏的影响
热塑性塑料的性能优于玻璃
     PEEK和PEK克服了玻璃的局限性,可在最严苛的工作条件下提供优越的性能。热塑性塑料的材料特性克服了玻璃的刚性和脆性,对压力、冲击和振动等机械应力具有更高的适应力。热塑性塑料的制造工艺使得低电阻金属的使用成为可能,从而大大提高电力和信号传输性能。
     工程师和研究人员不断开发创新性弹性体和热塑性材料,以提高可靠性和性能。除了非填充PEEK之外,电连接器还可使用非填充PEK(以改善热物理特性)以及填充等级的PEEK和PEK(以提高机械强度)。
     针对极端条件,交联PEEK(如Arlon 3000XT)可在温度高达500°F、压力45,000 psi的环境下工作,其强度业已证明比其他用于石油和天然气勘探的材料高30%。

来源:《国际线缆与连接》



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