Mientras que el método tradicional de conectores Glass-to-Metal Seal (GTMS) sirve como eficaz barrera hermética y aislante eléctrico para un amplio espectro de aplicaciones médicas, automovilísticas, aeroespaciales, militares y geofísicas de baja presión, los termoplásticos avanzados desarrollados en las últimas tres décadas han demostrado ser una solución superior para los entornos operativos más extremos.

Dentro de la categoría de termoplásticos PAEK ( polieteretercetona ), un conjunto en evolución de nuevos compuestos PEEK (polieteretercetona) y PEK (polieteretercetona) proporciona la estabilidad térmica, la resistencia mecánica, el bajo desgaste, la resistencia química, la resistencia al aislamiento y la densidad de patillas necesarias para las aplicaciones de conectores eléctricos más exigentes, incluidos los motores de aviación y las operaciones de perforación de petróleo y gas HPHT (alta presión y alta temperatura).

Sellado del vidrio

Desde el siglo XVII, los sellos de vidrio-metal han proporcionado barreras herméticas y se han desarrollado para proporcionar una combinación de sellado hermético y aislamiento eléctrico. Dentro de un conector sellado vidrio-metal, el vidrio se funde para encapsular tanto la patilla metálica como el paquete y proporcionar un aislamiento conductor entre la carcasa y las patillas. Se forma una capa de óxido visible en los componentes metálicos que permite el flujo y la adherencia del vidrio. La resistencia del sellado está limitada por la capa de óxido. Se requiere un paso adicional durante el proceso de fabricación para eliminar el óxido de las demás superficies del conector, lo que supone un riesgo de posible contaminación.

El vidrio es un buen aislante eléctrico y tiene una baja conductividad térmica, además de la capacidad de soportar altas presiones y temperaturas de funcionamiento. Sin embargo, las limitaciones de las juntas vidrio-metal se hacen patentes cuando se ponen a prueba bajo parámetros de funcionamiento extremos. Estas limitaciones son dobles:

• Propiedades del vidrio - El vidrio es rígido y quebradizo, por lo que es propenso a agrietarse bajo tensiones mecánicas de alta presión, golpes y vibraciones, especialmente en combinación con ciclos térmicos extremos.


• Limitaciones del proceso de fabricación - La dificultad de fundir el vidrio y su viscosidad cuando está fundido imponen limitaciones a los tipos de metales que pueden utilizarse.

Combinar el cristal con el metal

Las juntas vidrio-metal se forman mediante un proceso de fusión a altas temperaturas, a menudo superiores a 900 °C, seguido de un enfriamiento rápido. Para crear una junta fuerte y resistente es necesario que el coeficiente de dilatación térmica (CET) entre el vidrio y los materiales metálicos sea el mismo. El CTE es el grado en que un material se expande y contrae cuando se somete a cambios de temperatura. Durante el proceso de calentamiento y enfriamiento, la velocidad a la que cambia el volumen de los dos materiales debe permanecer sincronizada, de lo contrario se inducen tensiones térmicas, ya que un material se expande a mayor velocidad que el otro.

Debido a la rigidez y fragilidad inherentes al vidrio, la gestión de cualquier desajuste del CET es fundamental para evitar tensiones y esfuerzos en la junta que puedan provocar huecos, la separación entre el vidrio y el metal, o la ruptura de la integridad estructural del vidrio. La junta vidrio-metal no sólo tiene que sobrevivir al proceso de fusión durante la fabricación, sino que también debe soportar los miles de ciclos térmicos en condiciones reales de funcionamiento.

Este requisito de igualar el CET del metal y el vidrio limita la elección del material metálico. El kovar se ha utilizado ampliamente para el envasado en juntas vidrio-metal porque su valor de coeficiente de dilatación térmica lineal de 5,5 × 10-6/K de 20 a 200 °C y de 4,9 × 10-6/K a 400 °C coincide estrechamente con el CET del vidrio de borosilicato. Las clavijas de paso compuestas de aleaciones de níquel y acero inoxidable se eligen de forma similar por las propiedades termofísicas necesarias. Sin embargo, estos materiales comprometen considerablemente la conductividad eléctrica, que es el principal objetivo de un conector eléctrico.

PEEK y PEK resuelven las deficiencias del vidrio

La introducción de los conectores eléctricos PEEK y PEK supera los puntos débiles inherentes a los conectores vidrio-metal. No es necesario que el coeficiente de expansión térmica del material termoplástico coincida con el del metal, lo que permite optimizar las propiedades eléctricas de las clavijas metálicas de paso. Sin la restricción de hacer coincidir los coeficientes de dilatación térmica, los materiales conductores pueden elegirse en función de la aplicación y no del método de fabricación.

Por ejemplo, se puede utilizar cobre de berilio (BeCu), que ofrece una menor resistencia eléctrica en comparación con el Inconel y el acero inoxidable. Esta conductividad más eficaz permite que pase más corriente y se genere menos calor. Esto se traduce en una transmisión de energía y señales más fiable.

Con una mayor conductividad eléctrica, es posible reducir el diámetro de las patillas, lo que permite una densidad de patillas significativamente mayor y más flexibilidad en el diseño del patrón de patillas, lo que se traduce en un menor tamaño total del conector. Los procesos de moldeo por inyección con plásticos también son más adecuados para fabricar piezas muy pequeñas que el proceso de fusión del vidrio. El material termoplástico más ligero, combinado con el menor tamaño de las patillas y del conector en general, da como resultado una reducción significativa del peso en comparación con los conectores GTMS. Con aplicaciones en las industrias aeroespacial, submarina y energética, el peso y el tamaño dimensional de los componentes son fundamentales para el rendimiento global del subsistema.

Una diferencia importante entre el PEEK y el vidrio es la geometría de la junta interna, donde el material aislante encapsula cada patilla metálica. Los conectores PEEK se fabrican mediante un proceso de moldeo por inyección en el que el PEEK se sobremoldea sobre el pasador. Mediante este método, la junta se extiende a lo largo de la espiga metálica. Por lo tanto, la unión es más duradera que las juntas rígidas de vidrio. Las tensiones internas en las juntas de vidrio o la dilatación térmica desigual del contacto metálico pueden provocar grietas en la superficie de estanquidad, que conducen al fallo prematuro de la pieza. La menor temperatura de transición vítrea del PEEK permite una ligera deformación cuando está sometido a cargas de presión o vibraciones. Al sobremoldear los contactos metálicos, el conector tolera una ligera desalineación de acoplamiento y es menos sensible a la manipulación incorrecta durante la instalación y a los daños debidos a golpes mecánicos. Los pines doblados pueden realinearse sin necesidad de desechar la pieza.

Aplicaciones más exigentes

En aplicaciones en las que la fiabilidad y el rendimiento constante son fundamentales, como los motores aeronáuticos y las operaciones de perforación profunda, los conectores eléctricos PEEK y PEK ofrecen varias ventajas importantes:

• Transmisión fiable de potencia y señal - Compatibilidad con el material óptimo de las patillas metálicas, como el cobre de berilio


• Aplicaciones HPHT - Hasta 232°C (450°F) y hasta 35.000 psi, y con termoplástico PEEK reticulado avanzado especializado, hasta 260°C (500°F) y 45.000 psi. Resistencia a ciclos rápidos y extremos de presión y temperatura


• Resistencia química - Sulfuro de hidrógeno, metanol, fluidos de perforación, producto de pozo, etc.


• Resistencia mecánica - Resistencia a golpes y vibraciones sin pérdida de continuidad


• Durabilidad - Menos sensible a los daños por mal uso

Los termoplásticos superan al vidrio

PEEK y PEK superan las limitaciones del vidrio para ofrecer un rendimiento superior en las condiciones de funcionamiento más exigentes. Las propiedades de los materiales termoplásticos superan la rigidez y fragilidad del vidrio para ofrecer una resistencia mucho mayor a las tensiones mecánicas de presión, choque y vibración. El proceso de fabricación de los conectores termoplásticos permite el uso de metales con baja resistencia eléctrica para un rendimiento de transmisión de potencia y señal significativamente mejor.

Los ingenieros e investigadores siguen desarrollando materiales elastoméricos y termoplásticos innovadores para mejorar la fiabilidad y el rendimiento. Además del PEEK sin relleno, los conectores eléctricos están disponibles en PEK sin relleno para mejorar las propiedades termofísicas, así como en grados rellenos de PEEK y PEK para mejorar la resistencia mecánica. Para condiciones extremas, el PEEK reticulado, como Arlon 3000XT®, puede funcionar a temperaturas de hasta 500 °F y presiones de 45.000 psi, y ha demostrado ser un 30% más resistente que otros materiales utilizados en la exploración de petróleo y gas.

Este artículo pertenece al nuevo libro electrónico "Connector Supplier", 2022 Rugged Interconnects for Harsh Environments.