Как выбрать подходящее силиконовое масло для электронного покрытия и смазки?

Электрическая прочность материала указывает на то, какое электрическое поле он может выдержать до потери своих изоляционных свойств и перехода в электропроводное состояние; это важная характеристика для печатных плат высокого напряжения, прецизионных приборов и компонентов силовой электроники, поскольку она снижает риск выхода системы из строя вследствие электрической дуги, короткого замыкания и отказа системы. Поэтому при работе с оборудованием, рассчитанным на напряжение свыше 1 кВ, способность изоляции препятствовать протеканию тока по её поверхности становится чрезвычайно важной для обеспечения безопасности. Объёмное удельное электрическое сопротивление также характеризует, насколько эффективно изоляция препятствует протеканию тока. В системе чем выше значение изоляции, тем меньше ток утечки и тем лучше баланс между элементами. В прецизионном измерительном оборудовании силиконовое масло обеспечивает необходимую изоляцию для поддержания точности регулируемого выходного сигнала, а также продлевает срок службы оборудования благодаря своим превосходным диэлектрическим свойствам. Согласно отчёту ElectroInsight за 2023 год, материалы с электрической прочностью менее 15 кВ/мм демонстрируют на 34 % более высокий уровень отказов в трансформаторах и коммутационных устройствах. Такие материалы следует избегать при проектировании систем управления аккумуляторными батареями электромобилей. Другим примером является массажное масло.

Он по-прежнему хорошо работает при многократных циклах нагрева и охлаждения, а также сохраняет работоспособность в климатических условиях, которые обычно ускоряют деградацию и ставят под угрозу функционирование электрической сети.

Напряжение пробоя: метил- и фенил-модифицированное кремнийорганическое масло

Метилмодифицированное силиконовое масло имеет пробивное напряжение 15–18 кВ/мм и индекс термостойкости 0,85, тогда как фенилмодифицированное силиконовое масло имеет пробивное напряжение 22–28 кВ/мм и индекс термостойкости 1,12. Стандартные испытания этих материалов показали, что у фенилмодифицированного силиконового масла более высокие значения пробивного напряжения и индекса термостойкости по сравнению с метилмодифицированным силиконовым маслом. Это различие объясняется наличием фенильных групп. Фенильные группы, являясь ароматической структурой, способны обеспечивать более тесное удержание и упаковку молекул. Такой процесс делает материалы менее подверженными ионизации при воздействии экстремального электрического поля. Эти фенилмодифицированные масла сохраняют приблизительно 92 % своих диэлектрических свойств в диапазоне температур от 0 до 200 °C. В отличие от этого, обычные метилмодифицированные масла сохраняют лишь около 78 % своих диэлектрических свойств. Именно поэтому инженеры зачастую выбирают фенилмодифицированные масла для трансформаторов с электрической изоляцией и электрических систем летательных аппаратов. В то время как метилмодифицированные масла сохраняют приблизительно 78 % исходных диэлектрических свойств, фенилмодифицированные масла сохраняют около 92 % исходных диэлектрических свойств, что делает их более предпочтительными для применения в трансформаторах с электрической изоляцией и электрических системах летательных аппаратов. При модификации этих материалов с целью соответствия другим применимым отраслевым стандартам было установлено, что они обеспечивают снижение частоты механических отказов и способствуют увеличению общего срока службы механических систем. Это особенно актуально для трансформаторов с электрической изоляцией и других областей применения, где требуется высокая надёжность.

Оптимизация вязкости для прямой смазки и адгезии покрытия

Вязкость кремнийорганического масла (50–1000 сСт) в зависимости от динамики движения: МЭМС-исполнительных устройств, контакторов EV и реле

При наличии различных конфигураций для механических и электрических применений крайне важно выбрать подходящую вязкость масла для предполагаемого использования. Например, для микромеханических систем (MEMS) с частотой работы выше 100 Гц требуются маловязкие масла с вязкостью 50–100 сСт, чтобы обеспечить быстрый отклик в микросекундном диапазоне за счёт минимизации инерционного сопротивления. Для контакторов электромобилей (EV), рассчитанных на ток более 500 А, оптимальным является масло средней вязкости — 200–500 сСт, поскольку оно эффективно подавляет электрическую дугу при сварке и одновременно обеспечивает быстрое размыкание контактов. Кроме того, реле, подвергающееся многократным ударным нагрузкам 10 G и выше, требует применения высоковязкого масла с вязкостью 500–1000 сСт для гарантированного поддержания стабильной смазки даже при возникновении резких ударов. Во всех приведённых выше примерах инженерам необходимо определить локальное поведение смазочного материала при сдвиговых нагрузках и давлении в указанных точках. Технические требования к конструкции должны учитывать быстрые изменения температуры, поскольку неучтённые колебания температуры приведут к нарушению целостности масляной плёнки.

Влияние вязкости на удержание пленки, контроль миграции и долгосрочную смазку в герметичных корпусах

Силиконовые масла с вязкостью от 350 до 1000 сСт отлично подходят для поддержания защитной плёнки на герметизированных электронных компонентах. Эти масла менее подвержены смещению под действием силы тяжести, поэтому формируют стабильные граничные слои толщиной около 3–5 мкм на контактах и подшипниках. Это чрезвычайно важно для автомобильных блоков управления, которые подвергаются постоянным вибрациям. Они обладают исключительно широким диапазоном рабочих температур (от −40 до +200 °C), и в пределах всего этого температурного диапазона данные марки масел сохраняют индекс вязкости выше 200. Такая вязкость помогает устранить проблемы капиллярного ползучего течения, приводящие к образованию раздражающих сухих участков. Эти составы сохраняют стабильность при сдвиговых нагрузках и со временем не расслаиваются на составляющие, включая загустители. Именно поэтому многие аэрокосмические компоненты и промышленные датчики, использующие эти масла, могут эксплуатироваться без технического обслуживания более 10 лет, что соответствует требованиям стандарта MIL-PRF-27617.

Совместимость материалов и термическая надёжность на различных электронных подложках
Химическая совместимость с силиконовым маслом, уплотнениями из EPDM, полимиидными покрытиями, ламинатами FR-4 и масками для пайки
Чтобы силиконовое масло выполняло свою функцию, оно должно оставаться химически нейтральным по отношению к окружающим материалам, близким по составу к тем, которые используются при производстве электронных устройств. С учётом уплотнительного кольца из EPDM в соединителях и корпусных сборках оно не должно вызывать набухание, хрупкость или остаточную деформацию под действием силиконового масла после многократных циклов сочленения. При наличии полимида в качестве покрытия гибких печатных плат силиконовое масло может вызвать пластифицирующий эффект, ослабляющий адгезию и нарушающий размерную стабильность. Для удовлетворительной совместимости с печатными платами FR-4 силиконовое масло не должно вызывать миграцию связующего или расслоение и не должно приводить к нарушению изоляционных свойств. В отношении защитных solder mask (масок для пайки) силиконовые масла не должны способствовать образованию проводящих анодных нитей или вздутию защитного покрытия. Проблемы совместимости носят серьёзный характер. Согласно недавним отраслевым данным Консорциума по анализу отказов за 2023 год, примерно 23 % отказов уплотнений датчиков в автомобилях и 17 % отказов промышленных реле связаны с несовместимостью материалов.

Пределы термостойкости и окислительная стойкость: обеспечение работоспособности в диапазоне рабочих температур от −40 °C до 200 °C

Благодаря своей молекулярной структуре и встроенным антиоксидантам такие масла способны функционировать при экстремальных температурах. Они сохраняют работоспособность при температурах до −50 °C, что особенно важно для эксплуатации в полярных регионах, поскольку именно там отказ смазки может привести к катастрофическим повреждениям оборудования. Кроме того, доказано, что они сохраняют свои изоляционные и электроизоляционные свойства в высокопроизводительных фенил-модифицированных маслах, работающих при температурах выше 180 °C. Испытания по стандарту ASTM D943 показали низкую скорость окисления и минимальное образование шлама, что предотвращает коррозию механических компонентов. Для наиболее совершенных составов стабильность при изменении температуры соответствует стандарту безопасности UL 2580 для аккумуляторных систем электромобилей (EV) и разделу 25 стандарта DO-160 по тепловым отказам в авиационной электронике.

Часто задаваемые вопросы

Что такое электрическая прочность?

Электрическая прочность определяется максимальным уровнем напряжения, которое диэлектрический материал может выдержать до наступления электрического пробоя. Это чрезвычайно важно при рассмотрении применений в условиях высокого напряжения, поскольку позволяет предотвратить образование дуги и коротких замыканий вследствие отказа диэлектрика.

Почему вязкость имеет значение для кремнийорганических масел?

Вязкость кремнийорганических масел определяет их способность сопротивляться деформации и обеспечивать требуемое течение в ходе механических или электрических операций. Поэтому она имеет важное значение при выполнении точных работ.

Чем фенил-модифицированные кремнийорганические масла отличаются от метил-модифицированных?

По сравнению с метил-модифицированными кремнийорганическими маслами фенил-модифицированные обладают более высокой надёжностью при работе при высоких температурах и высоких напряжениях электрического пробоя. Следовательно, они идеально подходят для применения в высокопроизводительных электрических устройствах.

Что определяет совместимость кремнийорганического масла с электронным компонентом?

Силиконовое масло совместимо с электронными компонентами, поскольку химически нейтрально по отношению к уплотнениям из EPDM, полиимидным покрытиям, слоистым материалах FR-4 и маскам для пайки. Это делает его важным средством предотвращения разрушения и отказов.