Электропроводящий синтетический материал и электропроводящий экранирующий профиль

 

Изобретение относится к электропроводящему синтетическому материалу для формования экранирующего профиля в нужном месте на детали экранирующего корпуса. Материал содержит жидкую или пастообразную, смешиваемую или высоковязкую матрицу из синтетической смолы и диспергированные в матрице, газонаполненные полые микротела с металлически проводящей оболочкой, при этом полые микротела выполнены упругими. Полученные электропроводящий синтетический материал и экранирующий профиль имеют почти идеально равномерное распределение полых микротел в матрице из синтетической смолы, а также равномерно высокие упругость и формоустойчивость. 2 c. и 16 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к синтетическому материалу согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения и изготовленному из этого материала проводящему синтетическому изделию, в частности уплотнительному или экранирующему профилю.

Известны электропроводящие уплотнительные материалы на силиконовой основе с проводящим наполнителем для изготовления на месте уплотнений корпусов с электромагнитным экранирующим действием ("mold-in-place gaskets" = MIPG и "form-in-place gaskets" = FIPG).

До начала 90-х годов их использовали, в частности, для герметизации отдельных деталей экранирующих корпусов путем склеивания или для наклеивания предварительно изготовленных экранирующих уплотнений при сборке корпусов и соответственно устанавливали их свойства. В отношении соответствующих изделий следует сослаться на публикации: технический паспорт CS-723 "Conductive Caulking Systems" (1972) фирмы "Текнит", США, Technical Bulletin 46 "CHO-BOND 1038" (1987) фирмы "Комерикс", США, и заявка ФРГ 3936534.

Из заявки ФРГ 3934845 известно составное экранирующее уплотнение, которое состоит из эластичной основы и высокопроводящего покрывающего слоя и обеспечивает как предварительное изготовление деталей корпуса с уплотнением до монтажа, так и повторное открывание корпуса после первого закрывания. С помощью этой конструкции должны быть в особенности устранены проблемы неоднородности, которые возникают из-за высокой удельной массы металлических частиц, обеспечивающих проводимость материала. Изготовление многокомпонентного уплотнения, однако, является сложным делом.

Поэтому в массовом производстве зарекомендовал себя описанный в европейском патенте 0629114 способ, при котором проводящий материал в пастообразном исходном состоянии таким образом посредством давления наносится из иглы или сопла непосредственно на деталь корпуса и эластично затвердевает там, прилипая к его поверхности, что образуется одновременно проводящий и эластичный экранирующий профиль. Его форму задают посредством подходящего выбора формы и размера сечения и скорости контактирования иглы или сопла, а также путем установления свойств материала, таких как вязкость, тиксотропия и скорость отверждения или сшивания.

В качестве наполнителей в известных высокопроводящих уплотнительных массах используют, в частности, массивные частицы благородных металлов, например серебра, покрытые благородным металлом частицы с неблагородным ядром, например покрытые серебром или платиной частицы меди или никеля, композиты из неблагородных металлов, например покрытые никелем частицы меди, или же покрытые благородным металлом частицы стекла или керамики. Также известные наполнители на углеродной основе по своей проводимости современным требованиям не отвечают.

Из-за все возрастающего массового использования и падения цен на электронные приборы, которые надежно функционируют только с высокоэффективным экранированием, изготовление экранирующих корпусов связано с высокими издержками, вынуждающими, помимо прочего, искать экономичные и тем не менее легко перерабатываемые и варьируемые по своим свойствам уплотнительные материалы, которые дают надежно эффективные экранирующие профили.

В основе изобретения лежит поэтому задача создания такого усовершенствованного синтетического материала и электропроводящего синтетического изделия.

Эта задача решается посредством синтетического материала с приведенными в п.1 формулы изобретения признаками и электропроводящего синтетического изделия с признаками п.15.

Основная идея изобретения заключается в выполнении исходного материала для проводящего синтетического изделия в виде матрицы из синтетической смолы с помещенными в нее формоупругими полыми микротелами и, следовательно, с небольшой плотностью и высокой упругостью. Материал содержит, в частности, проводящий наполнитель; в альтернативном варианте проводимость готового изделия из термо- или реактопласта может быть, однако, получена или повышена за счет, по меньшей мере, частичного проводящего покрытия.

Стенка полых микротел содержит в предпочтительном варианте полимер и выполнена, в основном, газоплотной, что сообща дает нужную высокую степень формоупругости, в частности упругой сжимаемости. В качестве альтернативы полые тела выполнены, в основном, исключительно из металла, причем за счет взаимодействия газового заполнения и выполнения стенки из металла также достигается определенная упругость.

В предпочтительном варианте, по меньшей мере, часть металлического наполнителя присутствует в виде металлической оболочки или покрытия полых микротел, так что проводимость всего материала (матрица с наполнителем) достигается, по меньшей мере, в значительной части посредством контакта проводящих стенок полых тел.

Если металлический наполнитель присутствует, в основном, только в виде оболочки полых микротел, этот механизм требует относительно высокой степени наполнения полыми телами, с тем чтобы по получаемому сечению уплотнения могла образоваться достаточно высокая плотность цепей тока посредством контактов стенок. Степень наполнения следует при этом устанавливать тем выше, чем более гладкой является поверхность проводящего покрытия.

Если же металлическое покрытие имеет шероховатую поверхность, в частности с, в основном, радиально ориентированной кристаллитной структурой, то можно предпочтительным образом обойтись умеренно высокой степенью наполнения и достичь к тому же особенно стабильного сцепления между матрицей и наполнителем.

Если металлический наполнитель, согласно другому варианту идеи изобретения, диспергирован в виде металлического порошка в матрице, в основном, обычным образом, то степень наполнения полыми микротелами (в этом случае непроводящими и образующими, следовательно, изолирующие участки) не должна быть слишком высокой.

Полые микротела имеют целесообразно диаметр в пределах 5-100 мкм, в частности 15-50 мкм.

В одном технологически легко реализуемом варианте, обеспечивающем получение электрически и механически изотропной синтетической массы, по меньшей мере, часть полых микротел имеет форму полых шариков. Особые свойства, такие как тиксотропия, а также электрическая и механическая анизотропия, достигаются тогда, когда, по меньшей мере, часть полых микротел имеет приблизительно эллипсоидную, цилиндрическую или призматическую форму (в том числе и брикетообразную или хлопьевидную форму), причем длина наибольшей главной оси эллипсоида составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину следующей по величине главной оси или высота цилиндра составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину радиуса или высота призмы составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину длины наибольшей стороны ее основания. Особенно при выдавливании такого материала из иглы или сопла или же при нанесении раклей может за счет динамических эффектов ориентирования граничных поверхностей произойти ориентирование вытянутых полых микротел, а последующее упрочнение на подложке сохраняет это ориентирование.

Полые микротела могут быть внутри также разделены перегородками или могут быть выполнены из нескольких отдельных полостей.

Металлическая оболочка охватывает преимущественно всю поверхность полых микротел и создает, таким образом, в частности, газоплотность и тем самым упругую сжимаемость с высоким и в течение длительного времени практически постоянным усилием упругой отдачи. Она имеет среднюю толщину в пределах 0,1-5 мкм, которая согласована с размерами полых микротел так, что эффективная плотность покрытых полых микротел незначительно выше плотности полимерной матрицы.

Описанным образом в высшей степени эффективно устраняются два главных недостатка синтетических масс с наполнителем из массивного металлического порошка, а именно высокая склонность к седиментации и ограниченный параметр "компрессионного затвердевания", и достигаются превосходная складируемость, а также возможность легкой механической переработки.

Соответствующее синтетическое изделие, в частности экранирующий профиль, выполненный свободнонесущим за счет нанесения уплотнительного материала этого рода на поверхность детали экранирующего корпуса, имеет, следовательно, почти идеально равномерное распределение полых микротел в матрице из синтетической смолы, а также равномерно высокие упругость и формоустойчивость.

Поверхность металлической оболочки полых микротел предпочтительно выполнена шероховатой или пористой до сильно структурированных покрытий с кристаллообразными, в значительной степени радиально ориентированными продолжениями, которые гарантируют прочное соединение с матрицей в уплотнительной массе и посредством надлежащего взаимного сцепления соседних друг с другом в матрице полых тел высокую объемную проводимость, даже при относительно низкой степени наполнения.

Особенно большая экономия материальных затрат возможна у выполнения, у которого металлическая оболочка состоит, по меньшей мере, из двух слоев, причем только внешний слой является слоем благородного металла.

Проводящая оболочка с упомянутыми предпочтительными признаками получена известным сам по себе безэлектродным ("electroless") или гальваническим способом или же вакуумным способом, в частности напылением или распылением.

Для изготовления относительно мягких, обладающих определенной пластичностью экранирующих профилей используют предпочтительно силиконовую матрицу с долей несшивающего или слабосшивающего силоксана более 3 мас.%.

Примешивание такого несшивающего, более длинноцепного силоксана дает для матрицы после отверждения сшиваемого силиконового компонента (из-за влажности воздуха, нагрева или излучения) широкоячеистую сшитую структуру с определенной пластичностью, степень которой может быть задана соотношением смеси. Для изготовления в высокой степени пластичных уплотнений для особого назначения, которые, однако, благодаря помещенным формоупругим полым шарикам обладают, тем не менее, достаточной упругостью, доля несшивающего компонента может быть повышена до кратного значения доли сшиваемого компонента.

Выборочная дополнительная добавка органического растворителя служит, во-первых, для оптимизации технологических свойств материала, а во-вторых, может оказать положительное влияние на потребительские свойства готового профиля. Она вызывает в определенной степени "намывание" материала матрицы, облегчает, в частности, смешивание компонентов и улучшает смачивание. Хорошие результаты были достигнуты с долей бензина и/или толуола 5-20 мас.%.

Соответствующий эранирующий профиль может легко иметь степень деформации свыше 30%, в частности свыше 50%, по отношению к высоте ненагруженного U-образного уплотнительного профиля из сплошного материала.

Матрица может быть также образована двухкомпонентной эпоксидной или полиуретановой смесью или другими сшивающими полимерами или термопластами.

Благодаря названным действиям со стороны материала и, при необходимости, дополнительным конструктивным мерам, в частности заданного подходящим образом изгибно-упругой или сжимаемой формы сечения профиля, можно надежно с экранирующим действием герметизировать также швы корпуса, имеющие значительно отличающуюся по продольному контуру ширину. Это обеспечивает, например, экономичным образом большие допуски при изготовлении корпусов.

Предпочтительные усовершенствования изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы и ниже в рамках описания предпочтительных вариантов изобретения более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, на которых изображают: фиг. 1 - схематичное сечение экранирующего профиля согласно первой форме выполнения; фиг. 2 - схематичное сечение экранирующего профиля согласно второй форме выполнения; фиг.3 - схематичное сечение экранирующего профиля согласно третьей форме выполнения.

Для первого примера выполнения изобретения в качестве смеси 1 приведен электропроводящий материал для матрицы, представляющий собой термореактивную однокомпонентную систему. Этот упругий после отверждения, однако относительно мягкий материал пригоден для изготовления экранирующих профилей по краям повторно закрываемых корпусов, используемых в электромеханической промышленности, с умеренными производственными допусками.

Как видно из фиг.1, этот материал для матрицы 5 образованного на отрезке 1 корпуса экранирующего уплотнения 3 наполнен полыми шариками 7 из ПВД (поливинилиденхлорида) средним диаметром около 20 мкм с сильно кристаллитообразно структурированным серебряным покрытием 7а средней толщиной около 1 мкм в объемном соотношении 1:1.

Смесь 1 Компонент - Доля (мас. %) I: силикон "ТSЕ 3220" фирмы GE - 32,4 II: полидиметилсилоксан с метильными или гидроксильными концевыми группами (дин. вязк. 20-500 мПа•с) - 10,7 III: кремнийорганический раствор GE "PSA 529" - 19,5 IV: толуол - 16,3 V: бензин - 21,1
Для второго примера выполнения в качестве смеси 2 приведен электропроводящий синтетический материал, материал матрицы которого представляет собой отверждающуюся при комнатной температуре двухкомпонентную систему. Выполненный из этого материала экранирующий профиль имеет высокую степень деформации, заметную пластичность и особенно пригоден для герметизации щелей в экранирующих корпусах, применяемых в электромеханической промышленности, со значительными производственными допусками.

Смесь 2
Компонент - Доля (мас.%)
I/A: силикон GE "SLE 5300 А" - 53,3
I/B: силикон GE "SLE 5300 В" - 5,3
II: полидиметилсилоксан с метильными концевыми группами (вязк. около 50 мПа•с) - 20,7
III: толуол - 20,7
Как показано на фиг.2, этот матричный материал 15 для экранирующего уплотнения 13 на отрезке 11 корпуса наполнен имеющими приблизительно форму прямоугольного параллелепипеда полыми телами 17 из АКН (акрилнитрила) с покрытием из слоя 17а никеля и вышележащего пористого слоя 17b серебра общей толщиной около 2 мкм в соотношении примерно 1 объемная часть матрицы к 2 объемным частям наполнителя, и вся смесь обладает за счет анизотропной формы наполнителя анизотропными механическими и электрическими свойствами.

В качестве третьего примера выполнения в качестве смеси 3 приведена термореактивная однокомпонентная система в соответствии с первым примером, у которого проводящий компонент содержится в матрице в виде порошка из кристаллитных, звездообразных или хлопьевидных частиц с относительно большой поверхностью или в виде смеси из частиц таких форм.

Смесь 3
Компонент - Доля (мас.%)
I: силикон "TSE 3220" фирмы GE - 13,6
II: полидиметилсилоксан с метильными или гидроксильными концевыми группами (дин. вязк. 20-500 мПа•с) - 4,5
III: кремнийорганический раствор GE "РSА 529" - 8,2
IV: толуол - 6,8
V: бензин - 8,9
VI: серебряный порошок - 58,0
Как показано на фиг.3, этот матричный материал 25 с частицами 25а серебра для экранирующего уплотнения 23 на отрезке 21 корпуса наполнен шарообразными и эллипсоидными термопластовыми полыми телами 27 в соотношении примерно 2 объемные части матрицы к 1 объемной части наполнителя, с тем чтобы уменьшить среднюю плотность профиля и улучшить упругие свойства, особенно так называемый параметр "компрессионного затвердевания". При такой степени наполнения еще обеспечивается достаточно плотное распределение частиц 25а серебра в общем объеме и за счет этого (во взаимодействии с "растопыренной" формой частиц) выполнение сплошных цепей тока. Показанная особая форма металлических частиц прочно связывает в матрицу как их, так и полые тела, в определенной степени армируемые металлическими частицами.

В четвертом варианте полые тела состоят исключительно из никелевой или никелево-серебряной металлической оболочки с толщиной стенки 4-5 мкм и образованы за счет нанесения слоя металла на полимерные частицы подходящего диаметра и последующего удаления полимерного ядра пиролизом.

Экранирующий профиль из синтетического материала изготовляют предпочтительно известным сам по себе, в принципе описанным, например, в европейском патенте 0629114 образом; в зависимости же от установления физико-химических свойств нанесение на экранируемые детали корпуса возможно также путем набрызга, напыления или штемпелевания.

Изобретение не ограничено в своей реализации вышеописанными предпочтительными примерами. Напротив, возможно множество вариантов, использующих представленное решение в рамках настоящей формулы изобретения также в выполнениях иного рода.

В частности, в зависимости от требований конкретного назначения могут быть реализованы различные смешанные формы ввода металла в материал исключительно в виде покрытия полых микротел и его ввода исключительно в виде порошка помимо непроводящих полых микротел. В качестве металлического наполнителя благодаря меньшему расходу помимо серебра все больше применяются также золото, платина или платиновые сплавы.

Дополнительные возможности оптимизации возникают за счет комбинирования с проводящим, в частности чисто металлическим, поверхностным покрытием изготовленного синтетического изделия.

В качестве материала матрицы помимо силиконовых смесей пригодны полиуретаны, эпоксидные смолы, МДК или другие зарекомендовавшие себя полимеры, каждый из которых специфичным образом получают и перерабатывают в виде одно- или многокомпонентной смеси.

Изготовленное из материала, согласно изобретению, проводящее синтетическое изделие может применяться не только в виде экранирующего уплотнения типа "form-in-place" или "mold-in-place", но и в виде предварительно изготовленного уплотнения или для других целей в области электротехники и электроники.

Формула изобретения

1. Электропроводящий синтетический материал для формования экранирующего профиля в нужном месте на детали экранирующего корпуса, содержащий жидкую или пастообразную, смешиваемую или высоковязкую матрицу из синтетической смолы и диспергированные в матрице, газонаполненные полые микротела с металлически проводящей оболочкой, отличающийся тем, что полые микротела выполнены упругими.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что стенка полых микротел содержит полимер и выполнена, в основном, газоплотной.

3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что средняя плотность полых микротел незначительно выше плотности матрицы из синтетической смолы.

4. Материал по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что полые микротела имеют диаметр в пределах 5-100 мкм, в частности 15-50 мкм.

5. Материал по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть полых микротел имеет приблизительно форму полых шариков.

6. Материал по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть полых микротел выполнена формоанизотропной, в частности имеет приблизительно эллипсоидную, цилиндрическую или призматическую форму, причем длина наибольшей главной оси эллипсоида составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину следующей по величине главной оси, или высота цилиндра составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину радиуса, или высота призмы составляет, по меньшей мере, 1,5-кратную величину длины наибольшей стороны ее основания, таким образом, что синтетический материал обладает анизотропными механическими и/или электрическими или тиксотропными свойствами.

7. Материал по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что металлическая оболочка охватывает, в основном, всю поверхность полых микротел.

8. Материал по одному из пп.4-7, отличающийся тем, что металлическая оболочка полых микротел состоит, по меньшей мере, из двух слоев.

9. Материал по одному из пп.4-8, отличающийся тем, что металлическая оболочка имеет шероховатую поверхность, в частности с ориентированной, в основном, радиально кристаллитной структурой.

10. Материал по одному из пп.4-9, отличающийся тем, что металлическая оболочка полых микротел имеет среднюю толщину в пределах 0,1-5 мкм, причем средняя толщина согласована с размерами полых микротел так, что эффективная плотность покрытия полых микротел незначительно выше плотности полимерной матрицы.

11. Материал по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит матрицу из синтетической смолы на силиконовой основе с долей несшивающего или слабосшивающего силоксана более 3 мас.%.

12. Материал по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что доля органического растворителя в исходном материале матрицы из синтетической смолы составляет более 3 мас.%.

13. Электропроводящий экранирующий профиль из электропроводящего синтетического материала, отличающийся тем, что электропроводящий синтетический материал представляет собой материал по одному из пп.1-12, а полые микротела распределены в матрице синтетической смолы равномерно.

14. Электропроводящий экранирующий профиль по п.13, отличающийся тем, что он образован свободнонесущим за счет нанесения электропроводящего синтетического материала на поверхность детали экранирующего корпуса.

15. Электропроводящий экранирующий профиль по п.13 или 14, отличающийся тем, что он имеет реверсивно достигаемую степень деформации свыше 30%, в частности свыше 50%, по отношению к высоте ненагруженного U-образного уплотнительного профиля из сплошного материала.

16. Электропроводящий экранирующий профиль по одному из пп.13-15, отличающийся тем, что он имеет, по меньшей мере, частично проводящее покрытие, в частности в сочетании с непроводящим наполнителем.

17. Электропроводящий экранирующий профиль по одному из пп.13-16, отличающийся тем, что он обладает анизотропными механическими и/или электрическими свойствами благодаря наполнению ориентированными в предпочтительном направлении формоанизотропными полыми микротелами.

18. Электропроводящий экранирующий профиль по пп.13-17, отличающийся тем, что он образован на поверхности экранирующей детали экранирующего корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3