Während die traditionelle Methode der Glas-Metall-Verbindungen (GTMS) als effektive hermetische Barriere und elektrischer Isolator für ein breites Spektrum von medizinischen, automobilen, luft- und raumfahrttechnischen, militärischen und geophysikalischen Niederdruckanwendungen dient, haben sich fortschrittliche Thermoplaste, die in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt wurden, als überlegene Lösung für die extremsten Betriebsumgebungen erwiesen.

Innerhalb der Kategorie der PAEK (Polyaryletherketon)-Thermoplaste bieten eine Reihe neuer PEEK (Polyetheretherketon)- und PEK (Polyetherketon) -Compounds die thermische Stabilität, die mechanische Festigkeit, den geringen Verschleiß, die chemische Beständigkeit, die Isolationsfestigkeit und die Stiftdichte, die für die anspruchsvollsten elektrischen Steckverbinderanwendungen erforderlich sind, darunter Flugzeugtriebwerke und HPHT (Hochdruck, hohe Temperaturen)-Öl- und Gasbohrungen.

Glasversiegelung

Seit dem 17. Jahrhundert bieten Glas-Metall-Dichtungen luftdichte Barrieren und wurden entwickelt, um eine Kombination aus hermetischer Abdichtung und elektrischer Isolierung zu bieten. In einem Glas-Metall-Steckverbinder wird Glas geschmolzen, um sowohl den Metallstift als auch das Gehäuse zu verkapseln und eine leitende Isolierung zwischen dem Gehäuse und den Stiften zu schaffen. Auf den Metallkomponenten bildet sich eine sichtbare Oxidschicht, die den Glasfluss und die Haftung ermöglicht. Die Stärke der Dichtung wird durch die Oxidschicht begrenzt. Während des Herstellungsprozesses ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich, um das Oxid von den anderen Oberflächen des Steckverbinders zu entfernen, wodurch das Risiko einer möglichen Verunreinigung besteht.

Glas ist ein guter elektrischer Isolator, hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und ist in der Lage, hohen Betriebsdrücken und -temperaturen standzuhalten. Die Grenzen von Glas-Metall-Dichtungen werden jedoch deutlich, wenn sie unter extremen Betriebsparametern getestet werden. Diese Grenzen sind zweierlei:

• Materialeigenschaften von Glas - Glas ist steif und spröde, so dass es bei mechanischer Belastung durch hohen Druck, Stöße und Vibrationen, insbesondere in Verbindung mit extremen Temperaturschwankungen, leicht brechen kann.


• Beschränkungen des Herstellungsprozesses - Die Schwierigkeit, Glas zu schmelzen, und seine Viskosität im geschmolzenen Zustand schränken die Arten von Metallen ein, die verwendet werden können.

Das Glas und das Metall aufeinander abstimmen

Glas-Metall-Dichtungen werden durch einen Schmelzprozess bei hohen Temperaturen, oft über 900 °C, und anschließendes schnelles Abkühlen hergestellt. Die Herstellung einer starken, elastischen Dichtung erfordert die Abstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen dem Glas und den Metallwerkstoffen. Der WAK ist das Ausmaß, in dem sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt und zusammenzieht. Während des Erhitzungs- und Abkühlungsprozesses muss die Geschwindigkeit, mit der sich das Volumen der beiden Materialien ändert, synchron bleiben, da sonst thermisch erzeugte Spannungen entstehen, da sich ein Material schneller ausdehnt als das andere.

Aufgrund der inhärenten Steifigkeit und Sprödigkeit von Glas ist die Beherrschung jeglicher WAK-Fehlanpassung von entscheidender Bedeutung, um Spannungen und Belastungen an der Verbindung zu vermeiden, die zu Hohlräumen, einer Trennung zwischen Glas und Metall oder einem Zusammenbruch der strukturellen Integrität des Glases führen können. Die Glas-Metall-Dichtung muss nicht nur den Schmelzprozess während der Herstellung überstehen, sondern auch den Tausenden von Wärmezyklen unter tatsächlichen Betriebsbedingungen standhalten.

Diese Anforderung, den WAK des Metalls und des Glases aufeinander abzustimmen, schränkt die Wahl des Metallmaterials ein. Kovar wurde in großem Umfang für Verpackungen in Glas-Metall-Dichtungen verwendet, da sein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient von 5,5 × 10-6/K von 20 bis 200 °C und 4,9 × 10-6/K bei 400 °C dem WAK von Borosilikatglas sehr nahe kommt. Durchführungsstifte aus Nickellegierungen und rostfreiem Stahl werden ebenfalls aufgrund der erforderlichen thermophysikalischen Eigenschaften ausgewählt. Diese Werkstoffe gehen jedoch mit erheblichen Kompromissen bei der elektrischen Leitfähigkeit einher - dem Hauptzweck eines elektrischen Steckverbinders.

PEEK und PEK beheben die Mängel von Glas

Mit der Einführung von elektrischen Steckverbindern aus PEEK und PEK werden die inhärenten Schwächen von Glas-Metall-Verbindern überwunden. Der WAK des thermoplastischen Materials muss nicht an das Metall angepasst werden, was die Optimierung der elektrischen Eigenschaften der Metalldurchführungsstifte ermöglicht. Ohne die Einschränkung, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten übereinstimmen müssen, können die Leitermaterialien so gewählt werden, dass sie zur Anwendung und nicht zum Herstellungsverfahren passen.

So kann zum Beispiel Berylliumkupfer (BeCu) verwendet werden, das im Vergleich zu Inconel und Edelstahl einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist. Durch die effizientere Leitfähigkeit kann mehr Strom durchfließen, während weniger Wärme erzeugt wird. Das bedeutet eine zuverlässigere Strom- und Signalübertragung.

Bei höherer elektrischer Leitfähigkeit sind kleinere Stiftdurchmesser möglich, was eine deutlich höhere Stiftdichte und mehr Flexibilität bei der Gestaltung des Stiftmusters ermöglicht, was zu einer geringeren Gesamtgröße der Steckverbinder führt. Spritzgießverfahren mit Kunststoffen eignen sich auch besser für die Herstellung sehr kleiner Teile als das Glasschmelzverfahren. Das leichtere thermoplastische Material in Verbindung mit der geringeren Größe der Stifte und des gesamten Steckverbinders führt zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung im Vergleich zu GTMS-Steckverbindern. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Unterwasserbereich und in der Energiewirtschaft sind das Gewicht der Komponenten und die Größe der Abmessungen entscheidend für die Gesamtleistung des Teilsystems.

Ein wichtiger Unterschied zwischen PEEK und Glas ist die Geometrie der inneren Dichtung, bei der das Isoliermaterial jeden Metallstift umschließt. PEEK-Steckverbinder werden in einem Spritzgussverfahren hergestellt, bei dem PEEK auf den Stift gespritzt wird. Durch dieses Verfahren erstreckt sich die Dichtung über die gesamte Länge des Metallstifts. Daher ist die Verbindung haltbarer als starre Glasdichtungen. Innere Spannungen in Glasdichtungen oder ungleichmäßige thermische Ausdehnung des Metallkontakts können Risse in der Dichtungsoberfläche verursachen, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Teils führen. Die niedrigere Glasübergangstemperatur von PEEK erlaubt eine leichte Verformung bei Druckbelastung oder Vibration. Durch das Umspritzen der Metallkontakte ist der Steckverbinder tolerant gegenüber leichten Ausrichtungsfehlern beim Zusammenstecken und weniger empfindlich gegenüber falscher Handhabung bei der Installation und Beschädigung durch mechanische Stöße. Verbogene Stifte können neu ausgerichtet werden, ohne dass das Teil entsorgt werden muss.

Anspruchsvollste Anwendungen

Bei Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und gleichbleibende Leistung entscheidend sind, wie z. B. bei Flugzeugtriebwerken und Tiefbohrarbeiten, bieten elektrische Steckverbinder aus PEEK und PEK mehrere wichtige Vorteile:

• Zuverlässige Leistungs- und Signalübertragung - Kompatibilität mit optimalem Metallstiftmaterial, wie Berylliumkupfer


• HPHT-Anwendungen - bis zu 232°C (450°F) und bis zu 35.000 psi, und mit speziellem, vernetztem PEEK-Thermoplast bis zu 260°C (500°F) und 45.000 psi. Widerstandsfähigkeit gegenüber schnellen und extremen Druck- und Temperaturwechseln


• Chemische Widerstandsfähigkeit - Schwefelwasserstoff, Methanol, Bohrspülungen, Bohrlochprodukte usw.


• Mechanische Festigkeit - Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Vibrationen ohne Verlust der Kontinuität


• Langlebigkeit - Weniger anfällig für Schäden durch falsche Handhabung

Thermoplaste übertreffen Glas

PEEK und PEK überwinden die Einschränkungen von Glas und bieten eine hervorragende Leistung unter den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen. Die Materialeigenschaften von Thermoplasten überwinden die Steifigkeit und Sprödigkeit von Glas und bieten eine weitaus höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen durch Druck, Stöße und Vibrationen. Der Herstellungsprozess von thermoplastischen Steckverbindern ermöglicht die Verwendung von Metallen mit geringem elektrischem Widerstand für eine deutlich bessere Leistung bei der Strom- und Signalübertragung.

Ingenieure und Forscher entwickeln weiterhin innovative elastomere und thermoplastische Materialien, um Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern. Neben ungefülltem PEEK sind elektrische Steckverbinder in ungefülltem PEK für verbesserte thermophysikalische Eigenschaften sowie in gefüllten PEEK- und PEK-Typen für verbesserte mechanische Festigkeit erhältlich. Für extreme Bedingungen ist vernetztes PEEK, wie z. B. Arlon 3000XT®, für Temperaturen von bis zu 500 °F und Drücke von 45.000 psi geeignet und ist nachweislich 30 % stärker als andere in der Öl- und Gasexploration verwendete Materialien.

Dieser Artikel stammt aus dem neuen eBook "Connector Supplier", 2022 Rugged Interconnects for Harsh Environments.