Большинство поисковых запросов по свойствам проводящего силикона выдают одни и те же две строки: “силикон плюс сажа, проводит электричество”. Этого недостаточно для определения характеристик детали. Без указания удельного сопротивления, типа наполнителя и изменения твердости невозможно сравнить предложения или предсказать, как деталь поведет себя после циклов сжатия.
Проводящий силикон представляет собой стандартный силиконовый каучук (PDMS), на который наносятся сажа, графит с никелевым покрытием или наполнители на основе серебра до образования непрерывного проводящего пути. Объемное удельное сопротивление варьируется от примерно 0,001 Ом·см (с добавлением серебра) до 10⁸ Ом·см (антистатические марки). Термостойкость, морозостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям остаются близкими к базовому полимеру.
Что делает силикон проводящим?
В самом полимере ничего нет. Базовый силиконовый каучук является изолятором с объемным сопротивлением около 10¹⁴–10¹⁵ Ом·см и диэлектрической прочностью в диапазоне 20–25 кВ/мм. Проводимость добавляется механически, путем загрузки достаточного количества проводящего наполнителя, так что частицы соприкасаются и образуют непрерывную сеть по всему каучуку.
Этот момент и есть порог перколяции. Ниже этого значения удельное сопротивление практически не меняется, независимо от количества добавленного наполнителя. Пересекая его, удельное сопротивление может упасть на несколько порядков при изменении нагрузки на 1–21 ТТ3Т. Именно поэтому проводящие марки разрабатываются, а не смешиваются в цеху, и именно поэтому два поставщика, предлагающие “кремний, наполненный углеродом”, могут предоставить вам детали с разницей в сопротивлении в три десятилетия.
Удельное сопротивление различных материалов и их типичные наполнители
| Класс | Объемное удельное сопротивление | Типичный наполнитель | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| Антистатический | 10⁶–10⁸ Ом·см | Технический углерод с низкой концентрацией | Антистатические прокладки, подносы для переноски |
| ESD / антистатический | 10³–10⁶ Ом·см | Углеродная сажа | Уплотнения для печей для обжига, прокладки для работы с интегральными схемами |
| Проводящий (общий) | 10¹–10³ Ом·см | Высококонцентрированная сажа | Контактные пластины для клавиатуры, заземляющие площадки |
| Экранирование от электромагнитных помех, углеродное покрытие | 0,5–10 Ом·см | Технический углерод / углеродное волокно | Недорогие уплотнительные прокладки для корпусов |
| Экранирование от электромагнитных помех, наполненное металлом | 0,001–0,1 Ом·см | Никель-графит, серебро-алюминий, чистое серебро | Защитные прокладки MIL-DTL-83528 |
Для справки, Стандартные марки углеродистой стали Shin-Etsu Сопротивление (EC-BL / EC-BM / EC-BH) составляет 0,009–0,05 Ом·м, то есть примерно 0,9–5 Ом·см. Коммерчески доступный проводящий силикон, как правило, обеспечивает стабильное сопротивление в диапазоне от 0,01 Ом·м до 10 Ом·м; при сопротивлении выше 100 Ом·м колебания сопротивления сильно зависят от небольших изменений содержания углерода, и поддержание стабильного значения в диапазоне 10 кОм·м–100 МОм·м в производстве затруднительно.
Как проводящие наполнители изменяют механические свойства?
Они делают деталь более жесткой, но снижают прочность на разрыв. Наполнитель, используемый по электрическим причинам, по-прежнему ведет себя либо как армирующий материал, либо как дефект, в зависимости от нагрузки.
| Свойство | Стандартный силикон (типичный) | Проводящий материал, наполненный углеродом (типовой) |
|---|---|---|
| Твердость | Шор А 30–70, доступен полный диапазон. | Берег А 45–70, мягкие породы ограничены |
| Предел прочности | 6–10 МПа | ~5–6 МПа (≈776 psi) |
| Удлинение при разрыве | 300–700% | ~250–350% |
| Прочность на разрыв | 20–40 кН/м | ~85 ppi (≈15 кН/м) |
| Остаточная деформация (22 ч / 175°C) | 15–30% | Более высокая, зависит от наполнителя. |
| Цвет | Любой | Черный или металлический серый для армированного металлом металла. |
Для конструкции это имеет два следствия. Во-первых, нельзя требовать проводящий силикон с твердостью по Шору А 20 и сопротивлением, соответствующим уровню электромагнитных помех; требуемое количество наполнителя не позволит этого достичь. Во-вторых, сила герметизации и сила электрического контакта взаимосвязаны — более твердый компаунд требует большего сжатия для герметизации, а большее сжатие ускоряет зацепление с прокладкой, которая также должна оставаться проводящей.
Сохраняет ли токопроводящий силикон тот же температурный диапазон?
В основном да. Углеродсодержащие марки по-прежнему сохраняют непрерывный диапазон рабочих температур примерно от −55°C до 200°C с кратковременными повышениями до 230°C и поддерживают устойчивость к озону, УФ-излучению и атмосферным воздействиям, характерную для базового полимера. Наполнитель не изменяет силоксановую основу.
Меняется стабильность электрических характеристик, а не долговечность детали. Многократные циклы нагрева и длительное сжатие незначительно изменяют структуру наполнителя, поэтому сопротивление постепенно увеличивается в течение срока службы, в то время как сама резина выглядит нормально. Команды, тестирующие прототип при комнатной температуре в первый день, редко сталкиваются с этим; в полевых условиях это проявляется как прерывистый контакт, а не как трещина в прокладке. Если в применении существует предел сопротивления, этот предел необходимо проверять после термического старения, а не до него.
Присадки на основе серебра имеют свои ограничения: гальваническая совместимость с корпусом, а не температура. Силикон, наполненный чистым серебром, при контакте с чистым алюминием в соляном тумане вызывает коррозию фланца. Именно поэтому в стандарте MIL-DTL-83528 марки серебра-алюминия и никеля-графита указаны отдельно от чистого серебра.
Какие стандарты определяют и проверяют эти свойства?
| Стандартный | Что это включает |
|---|---|
| ASTM D257 | Объемное и поверхностное сопротивление изоляционных и полупроводниковых материалов |
| ASTM D991 | Объемное удельное сопротивление электропроводящих эластомеров |
| МИЛ-ДТЛ-83528 | Проводящие эластомерные прокладочные материалы для экранирования от электромагнитных помех, в зависимости от типа наполнителя. |
| МИЛ-СТД-285 / IEEE 299 | Измерение эффективности экранирования корпусов |
| ASTM D2240 | твердость по дюрометру |
| ASTM D412 / D624 | растяжение, удлинение, разрыв |
| ASTM D395 | Сжатие |
| RoHS 2011/65/EU | Запрещенные вещества, относящиеся к маркам с добавлением металлов. |
В техническом описании указано только “проводимость, 10² Ом” без описания метода испытаний, это не является спецификацией. Уточните, какой это стандарт, при какой толщине и при каком контактном давлении.
Почему измеренное сопротивление компонента никогда не совпадает с данными в технической документации?
Поскольку удельное сопротивление — это свойство материала, а сопротивление — результат геометрии, R = ρ × l / A. Соединение с сопротивлением 1 Ом·см в контактной капсуле толщиной 0,5 мм и площадью 5 мм² ведет себя совершенно иначе, чем то же самое соединение в прокладке с поперечным сечением 3 мм.
В производстве доминируют три фактора:
- Толщина и площадь контакта. Более тонкая и широкая конструкция означает меньшее сопротивление. Изменения в геометрии уплотнения незаметно влияют на электрические характеристики.
- Сжатие. Контактное сопротивление уменьшается с увеличением деформации, обычно стабилизируясь где-то в диапазоне сжатия 15–30%. Недостаточно сжатые прокладки показывают высокие и непостоянные значения.
- Состояние поверхности. На контактное сопротивление влияют формованная поверхность, остатки разделительного состава и очистка после формования. Поверхности, заполненные углеродом, измеренные сразу после извлечения из формы, могут показывать другие результаты, чем детали, измеренные после дополнительной полимеризации при 200°C в течение 4 часов.
При составлении сметы на токопроводящие компоненты в спецификации часто указывается значение сопротивления в омах без учета крепежных элементов, коэффициента сжатия и расстояния между щупами. Это значение невозможно проверить, и это наиболее распространенная причина оспаривания результатов испытаний первого образца.
Где границы земельных участков отображаются на практике.
Контактные таблетки для клавиатуры. Углеродные таблетки класса 10¹–10³ Ом·см, отформованные в непроводящий материал. изготовленная на заказ силиконовая клавиатура Тело. Требование к электрическому соединению — замыкание выключателя, а не протекание тока, поэтому дрейф сопротивления важнее, чем его абсолютное значение. См. наше сравнение Проводящие и непроводящие силиконовые клавиатуры и Материалы и марки силиконовых клавиатур.
Уплотнительные прокладки для защиты от электромагнитных помех. Металлонаполненные марки стали, указанные в соответствии со стандартом MIL-DTL-83528 по типу присадочного материала. В данном случае выбор присадочного материала определяется материалом корпуса и условиями коррозии, а не удельным сопротивлением.
Заземляющие и антистатические площадки. Антистатические и электростатические классы, где происходит медленная утечка заряда, а не проводимость. Слишком низкое удельное сопротивление — это дефект, а не преимущество. Проводящее покрытие. силиконовая пена Уплотнительные прокладки используются здесь, когда запорный механизм должен одновременно обеспечивать герметичность и отвод статического электричества.
Соединители типа «зебра» / эластомерные соединители. Чередование проводящих и изолирующих слоев, а не объемного проводящего соединения; важным свойством является шаг и диапазон сжатия, а не только объемное удельное сопротивление.
Что касается изоляционных материалов того же семейства, базовые характеристики описаны в наших руководствах. электрические свойства кремния и Силиконовые резиновые полоски в электроизоляции. Теплопроводность — это совершенно отдельная система наполнителей — см. теплопроводность силикона. Электропроводность и теплопроводность — это не одно и то же вещество, и запрос на оба параметра в одном сорте обычно означает добавление оксида алюминия или нитрида бора, что еще больше повышает твердость.
К чему не относится проводящий силикон
Это не провод. Даже сплавы с серебряным наполнением имеют удельное сопротивление около 0,001 Ом·см, что примерно на пять порядков выше, чем у меди. Проводящий силикон существует для замыкания, заземления, экранирования и переключения, а не для проведения значительного тока.
Это также не является прямой заменой по стоимости. Цены на углеродистые сплавы близки к ценам на стандартные компаунды. Никель-графит стоит в несколько раз дороже, а цены на компаунды с добавлением серебра зависят от содержания серебра, что означает, что цена меняется в зависимости от рынка металлов, а процент брака по геометрии детали напрямую влияет на себестоимость единицы продукции.
Часто задаваемые вопросы
Токопроводящий силикон — это то же самое, что и теплопроводящий силикон?
Нет. Электропроводность обеспечивается углеродными или металлическими наполнителями, образующими перколяционную сеть. Теплопроводность обычно обеспечивается оксидом алюминия или нитридом бора, которые являются электрическими изоляторами.
Каково минимальное удельное сопротивление силиконовой резины?
Сопротивление электролитов, содержащих чистое серебро, достигает примерно 0,001 Ом·см. При более низком значении эластомерные материалы выходят за рамки стандартных и используются металлические контакты или гальванизированные элементы.
Может ли проводящий силикон быть пищевым или медицинским?
Как правило, добавление технического углерода исключает возможность FDA 21 CFR 177.2600 и соответствие стандарту LFGB для прямого контакта с пищевыми продуктами. Проводящие марки следует рассматривать как промышленные и электронные материалы, если не подтверждено соответствие конкретного материала установленным стандартам.
Теряет ли проводящий силикон проводимость со временем?
Деталь сохраняет свои свойства, но сопротивление имеет тенденцию к увеличению при циклическом нагреве и длительном сжатии. Проверку качества следует проводить после термического старения, а не на свежих образцах.
Что нам нужно знать перед составлением сметы на токопроводящую деталь
Указанные выше свойства лишь сужают круг поиска. Для определения типа соединения и цены практически все решают четыре фактора: целевое удельное сопротивление или сопротивление, определяемое методом измерения, требуемая твердость и усилие герметизации, материал корпуса и условия коррозии, а также способ изготовления детали: литье, экструзия или штамповка. силиконовый лист. Выбор наполнителя вытекает из вышеизложенного, и именно он определяет как стоимость, так и тенденции, которые вы увидите на третьем году.
Если требуемое сопротивление по-прежнему выражается одним числом без указания способа его фиксации, то это первое, что необходимо решить — до изготовления оснастки, а не после получения первого образца.
Рекомендации
- ASTM D257-14(2021)e1, Стандартные методы испытаний на сопротивление постоянному току или проводимость изоляционных материалов — ASTM International. https://www.astm.org/d0257-14r21e01.html
- ASTM D991-89(2020), Свойства каучука — Объемное удельное сопротивление электропроводящих и антистатических изделий — ASTM International. https://store.astm.org/d0991-89r20.html
- MIL-DTL-83528, Уплотнительный материал, проводящий, экранирующий, электронный, эластомер, электромагнитные/радиочастотные помехи — Агентство материально-технического обеспечения Министерства обороны США ASSIST, редакция J, 11 октября 2023 г. https://quicksearch.dla.mil/qsDocDetails.aspx?ident_number=34009
- Стандарт IEEE Std 299-2006, Стандартный метод измерения эффективности экранирующих электромагнитных корпусов — Ассоциация стандартов IEEE. https://standards.ieee.org/standard/299-2006.html
- 21 CFR 177.2600, Резиновые изделия, предназначенные для многократного использования — Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США / eCFR, текущая редакция. https://www.ecfr.gov/current/title-21/chapter-I/subchapter-B/part-177/subpart-C/section-177.2600
- Директива 2011/65/ЕС (RoHS), сводный текст от 1 января 2025 г. — EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2011/65/2025-01-01/eng
- Рахаман М. и др., Определение порога перколяции электропроводности для внешне проводящих полимерных композитов, Polymers (2019) — NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6418723/
- Миранда И. и др., Свойства и применение ПДМС в биомедицинской инженерии: обзор (2022) — NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8788510/
- Характерные свойства силиконовых каучуковых смесей — каталог продукции компании Shin-Etsu Chemical (PDF). https://www.shinetsusilicone-global.com/catalog/pdf/rubber_e.pdf
