La maggior parte delle ricerche sulle proprietà del silicone conduttivo restituisce sempre le stesse due frasi: "silicone più nerofumo, conduce l'elettricità". Questo non è sufficiente per specificare un componente. Senza conoscere il grado di resistività, il tipo di riempitivo e la variazione di durezza, non è possibile confrontare i preventivi o prevedere il comportamento del componente dopo i cicli di compressione.
Il silicone conduttivo è una gomma siliconica standard (PDMS) caricata con nerofumo, grafite nichelata o cariche a base di argento fino a formare un percorso conduttivo continuo. La resistività volumetrica varia da circa 0,001 Ω·cm (caricato con argento) a 10⁸ Ω·cm (varietà antistatiche). La resistenza al calore, al freddo e agli agenti atmosferici rimane pressoché invariata rispetto al polimero di base.
Cosa rende il silicone conduttivo?
Nulla è presente nel polimero stesso. La gomma siliconica di base è un isolante, con una resistività volumetrica di circa 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm e una rigidità dielettrica nell'intervallo 20–25 kV/mm. La conduttività viene aggiunta meccanicamente, caricando una quantità sufficiente di riempitivo conduttivo in modo che le particelle si tocchino e formino una rete continua attraverso la gomma.
Quel punto è il soglia di percolazione. Al di sotto di tale soglia, la resistività si modifica a malapena, indipendentemente dalla quantità di riempitivo aggiunto. Superata questa soglia, la resistività può diminuire di diversi ordini di grandezza con una variazione di 1–2% nel carico. Questo è il motivo per cui i materiali conduttivi vengono formulati, non miscelati in officina, e perché due fornitori che propongono "silicone caricato con carbonio" possono consegnare componenti con resistenze distanti trent'anni.
Gradi di resistività volumetrica e relativi riempitivi tipici
| Classe di grado | resistività volumetrica | Riempitivo tipico | Uso tipico |
|---|---|---|---|
| Antistatico | 10⁶–10⁸ Ω·cm | nerofumo a basso carico | Tamponi antistatici, vassoi di movimentazione |
| ESD / dissipativo statico | 10³–10⁶ Ω·cm | Nero di carbonio | Guarnizioni per forni di rodaggio, guarnizioni per la movimentazione di circuiti integrati |
| Conduttivo (generale) | 10¹–10³ Ω·cm | nerofumo ad alto carico | Pillole di contatto per tastiera, elettrodi di messa a terra |
| Schermatura EMI, carbonio | 0,5–10 Ω·cm | Nero di carbonio / fibra di carbonio | Guarnizioni per contenitori a basso costo |
| Schermatura EMI, riempita di metallo | 0,001–0,1 Ω·cm | Nichel-grafite, argento-alluminio, argento puro | Guarnizioni di schermatura MIL-DTL-83528 |
Per riferimento, Gradi di carbonio standard di Shin-Etsu (EC-BL / EC-BM / EC-BH) si attestano tra 0,009 e 0,05 Ω·m, ovvero circa 0,9-5 Ω·cm. Il silicone conduttivo disponibile in commercio è generalmente affidabile tra 0,01 Ω·m e 10 Ω·m; al di sopra di 100 Ω·m, la resistenza oscilla fortemente con piccole variazioni di carbonio, e mantenere un valore costante nella banda 10 kΩ·m-100 MΩ·m è difficile in produzione.
In che modo i riempitivi conduttivi modificano le proprietà meccaniche?
Irrigidiscono il componente e ne riducono la resistenza allo strappo. Il materiale di riempimento, presente per motivi elettrici, si comporta comunque come rinforzo o come un difetto, a seconda del carico.
| Proprietà | Silicone standard (tipico) | Conduttivo riempito di carbonio (tipico) |
|---|---|---|
| Durezza | Shore A 30–70, gamma completa disponibile | Shore A 45–70, gradi di morbidezza limitati |
| Resistenza alla trazione | 6–10 MPa | ~5–6 MPa (≈776 psi) |
| Allungamento a rottura | 300–700% | ~250–350% |
| Resistenza allo strappo | 20–40 kN/m | ~85 ppi (≈15 kN/m) |
| Compressione tesa (22 ore / 175 °C) | 15–30% | Più alto, dipendente dal riempitivo |
| Colore | Qualunque | Nero o grigio metallizzato per riempiti di metallo |
Due conseguenze per la progettazione. In primo luogo, non è possibile richiedere silicone conduttivo Shore A 20 con resistività a livello EMI; la quantità di riempitivo necessaria non lo permetterebbe. In secondo luogo, la forza di tenuta e la forza di contatto elettrico sono correlate: un composto più duro richiede una maggiore compressione per sigillare, e una maggiore compressione accelera l'indurimento di una guarnizione che deve anche continuare a essere conduttiva.
Il silicone conduttivo mantiene lo stesso intervallo di temperatura?
Nella maggior parte dei casi sì. I gradi caricati con carbonio mantengono comunque un intervallo di temperatura continuo da circa -55 °C a 200 °C, con brevi picchi fino a 230 °C, e conservano la resistenza all'ozono, ai raggi UV e agli agenti atmosferici del polimero di base. Il riempitivo non altera la struttura di base del silossano.
Ciò che cambia è la stabilità del valore elettrico, non la durata del componente. I ripetuti cicli termici e la compressione prolungata alterano leggermente la rete di riempitivo, per cui la resistenza tende ad aumentare nel corso della vita utile, mentre la gomma stessa appare intatta. I team che testano un prototipo a temperatura ambiente il primo giorno raramente riscontrano questo problema; nei resi dal campo si manifesta come un contatto intermittente, non come una guarnizione incrinata. Se l'applicazione ha un limite massimo di resistenza, tale limite deve essere testato dopo l'invecchiamento termico, non prima.
I materiali di riempimento a base d'argento introducono un ulteriore limite: la compatibilità galvanica con l'alloggiamento di accoppiamento, non la temperatura. Il silicone caricato con argento puro a contatto con l'alluminio nudo in un ambiente con nebbia salina corrode la flangia. Per questo motivo, la norma MIL-DTL-83528 elenca separatamente le leghe argento-alluminio e nichel-grafite dall'argento puro.
Quali norme definiscono e verificano queste proprietà?
| Standard | Cosa copre |
|---|---|
| ASTM D257 | Resistività volumetrica e superficiale di materiali isolanti e semiconduttori |
| ASTM D991 | Resistività volumetrica degli elastomeri elettricamente conduttivi |
| MIL-DTL-83528 | Materiali elastomerici conduttivi per guarnizioni di schermatura EMI, per tipo di riempitivo |
| MIL-STD-285 / IEEE 299 | Misurazione dell'efficacia di schermatura degli involucri |
| ASTM D2240 | Durezza Durometro |
| ASTM D412 / D624 | Trazione, allungamento, strappo |
| ASTM D395 | set di compressione |
| RoHS 2011/65/UE | Sostanze soggette a restrizioni, rilevanti per i gradi con carica metallica |
Una scheda tecnica che riporta solo "conduttivo, 10² Ω" senza un metodo di prova non costituisce una specifica. Chiedete a quale standard si riferisce, a quale spessore e a quale pressione di contatto.
Perché la resistenza misurata di un componente non corrisponde mai a quella riportata nella scheda tecnica?
Poiché la resistività è una proprietà del materiale e la resistenza è una conseguenza geometrica, R = ρ × l / A. Un composto con resistività di 1 Ω·cm in una pastiglia di contatto spessa 0,5 mm e con una sezione trasversale di 5 mm² si comporta in modo molto diverso dallo stesso composto in una guarnizione con una sezione trasversale di 3 mm.
Nella produzione prevalgono tre fattori:
- Spessore e area di contatto. Più sottile e più largo significa minore resistenza. Le modifiche di progettazione alla geometria della guarnizione cambiano silenziosamente le prestazioni elettriche.
- Compressione. La resistenza di contatto diminuisce all'aumentare della deflessione, stabilizzandosi in genere all'interno della banda di compressione 15–30%. Le guarnizioni sottocompresse presentano valori elevati e incoerenti.
- Condizioni della superficie. La superficie stampata, i residui di distaccante e la pulizia post-stampaggio influiscono sulla resistenza di contatto. Le superfici caricate con carbonio misurate immediatamente dopo l'estrazione dallo stampo possono presentare valori diversi rispetto a quelle misurate dopo la post-polimerizzazione a 200 °C per 4 ore.
Quando forniamo preventivi per componenti conduttivi, le specifiche in entrata spesso riportano un valore di resistenza in ohm senza indicare il dispositivo di fissaggio, il tasso di compressione o la spaziatura delle sonde. Tale valore non può essere verificato e rappresenta la causa più comune di contestazione dei risultati ottenuti con il primo campione.
Dove i limiti di proprietà si manifestano in parti reali
Pillole di contatto per tastiera. Pillole di carbonio nella classe 10¹–10³ Ω·cm, modellate in un materiale non conduttivo tastiera in silicone personalizzata corpo. Il requisito elettrico è la chiusura di un interruttore, non il trasporto di corrente, quindi la deriva della resistenza è più importante del valore assoluto. Vedi il nostro confronto di tastiere in silicone conduttive vs tastiere in silicone non conduttive E Materiali e gradi di tastiere in silicone.
Guarnizioni di schermatura EMI. Leghe con riempimento metallico, specificate secondo la norma MIL-DTL-83528 in base al tipo di materiale di riempimento. In questo caso, il materiale dell'involucro e l'ambiente corrosivo determinano la scelta del materiale di riempimento prima ancora della resistività.
Pad di messa a terra e antistatici. Gradi antistatici ed ESD, dove il punto è scaricare lentamente la carica, non condurre. Una resistività troppo bassa è un difetto, non un vantaggio. Rivestimento conduttivo schiuma di silicone Le guarnizioni entrano in gioco quando la chiusura deve sigillare e drenare l'elettricità statica contemporaneamente.
Connettori Zebra/elastomerici. Strati alternati conduttivi e isolanti anziché un composto conduttivo monolitico; la proprietà che conta è il passo e l'intervallo di compressione, non solo la resistività volumetrica.
Sul lato isolante della stessa famiglia di materiali, il comportamento di base è trattato nelle nostre guide a proprietà elettriche del silicio E strisce di gomma siliconica nell'isolamento elettrico. La conduttività termica è un sistema di riempimento completamente separato — vedi conduttività termica del silicio. La conduttività elettrica e la conduttività termica non sono la stessa cosa, e richiedere entrambe in un unico grado di durezza di solito significa aggiungere allumina o nitruro di boro, il che aumenta ulteriormente la durezza.
Cosa non è il silicone conduttivo
Non si tratta di un filo. Anche i tipi riempiti d'argento hanno una resistività di circa 0,001 Ω·cm, circa cinque ordini di grandezza superiore a quella del rame. Il silicone conduttivo serve per collegare, mettere a terra, schermare e commutare, non per trasportare correnti significative.
Non si tratta nemmeno di una sostituzione a costo zero. I gradi di carbonio hanno prezzi simili a quelli dei compound standard. Il nichel-grafite ha un costo decisamente superiore, mentre i compound con aggiunta di argento sono prezzati in base al contenuto di argento, il che significa che il preventivo varia in base all'andamento del mercato dei metalli e che il tasso di scarto relativo alla geometria del componente influisce direttamente sul costo unitario.
Domande frequenti
Il silicone conduttivo è lo stesso del silicone termicamente conduttivo?
No. La conduttività elettrica deriva da riempitivi di carbonio o metallo che formano una rete di percolazione. La conduttività termica deriva in genere da allumina o nitruro di boro, che sono isolanti elettrici.
Qual è la resistività più bassa disponibile nella gomma siliconica?
I materiali riempiti con argento puro raggiungono una resistività di circa 0,001 Ω·cm. Al di sotto di questo valore, si esce dal campo degli elastomeri e si entra nel campo dei contatti metallici o dei componenti placcati.
Il silicone conduttivo può essere adatto all'uso alimentare o medicale?
Il caricamento del nerofumo generalmente esclude FDA 21 CFR 177.2600 e conformità LFGB per il contatto diretto con gli alimenti. Trattare i materiali conduttivi come materiali industriali ed elettronici, a meno che non venga confermata una specifica mescola conforme.
Il silicone conduttivo perde la sua conduttività nel tempo?
Il componente resiste, ma la resistenza tende ad aumentare con i cicli termici e la compressione prolungata. La qualificazione deve essere eseguita dopo l'invecchiamento termico, non su campioni nuovi.
Cosa ci serve prima di fare un preventivo per un componente conduttivo
Le proprietà di cui sopra restringono soltanto il campo. Per bloccare un composto e un prezzo, quattro input decidono quasi tutto: resistività o resistenza target con il relativo metodo di prova, durezza e requisiti di forza di tenuta, materiale dell'alloggiamento di accoppiamento e ambiente di corrosione e se il pezzo è stampato, estruso o fustellato da foglio di silicone. La scelta del materiale di riempimento deriva da queste, e la scelta del materiale di riempimento determina sia il costo che la variazione che si osserverà nel terzo anno.
Se il requisito di resistenza è ancora espresso da un singolo valore senza alcun parametro di riferimento, questa è la prima cosa da risolvere, prima della realizzazione degli stampi, non dopo il primo prototipo.
Riferimenti
- ASTM D257-14(2021)e1, Metodi di prova standard per la resistenza o la conduttanza in corrente continua dei materiali isolanti — ASTM International. https://www.astm.org/d0257-14r21e01.html
- ASTM D991-89(2020), Proprietà della gomma: resistività volumetrica di prodotti elettricamente conduttivi e antistatici — ASTM International. https://store.astm.org/d0991-89r20.html
- MIL-DTL-83528, Materiale per guarnizioni, conduttivo, guarnizione di schermatura, elettronica, elastomero, EMI/RFI — US Defense Logistics Agency ASSIST, Revisione J, 11 ottobre 2023. https://quicksearch.dla.mil/qsDocDetails.aspx?ident_number=34009
- Norma IEEE Std 299-2006, Metodo standard per la misurazione dell'efficacia degli involucri di schermatura elettromagnetica — IEEE Standards Association. https://standards.ieee.org/standard/299-2006.html
- 21 CFR 177.2600, Articoli in gomma destinati all'uso ripetuto — US FDA / eCFR, edizione corrente. https://www.ecfr.gov/current/title-21/chapter-I/subchapter-B/part-177/subpart-C/section-177.2600
- Direttiva 2011/65/UE (RoHS), testo consolidato del 1° gennaio 2025 — EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2011/65/2025-01-01/eng
- Rahaman M. et al., Determinazione della soglia di percolazione della conduttività elettrica per compositi polimerici a conduzione estrinseca, Polymers (2019) — NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6418723/
- Miranda I. et al., Proprietà e applicazioni del PDMS per l'ingegneria biomedica: una rassegna (2022) — NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8788510/
- Proprietà caratteristiche dei composti di gomma siliconica — Shin-Etsu Chemical, catalogo prodotti (PDF). https://www.shinetsusilicone-global.com/catalog/pdf/rubber_e.pdf
