PAEK im Vergleich zu Glas-Metall-Dichtverbindungen

Während die traditionelle Methode der Steckverbinder mit Glas-Metall-Dichtung (GTMS) als wirksame hermetische Barriere und elektrischer Isolator für ein breites Spektrum von Anwendungen in Medizin, der Automobilbranche, der Luft- und Raumfahrt, beim Militär und in geophysikalischen Niederdruckanwendungen dient, haben sich fortschrittliche Thermoplastkunststoffe, die in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt wurden, als überlegene Lösung für die extremsten Betriebsbedingungen erwiesen.

In der Kategorie der PAEK (Polyaryletherketon)-Thermoplastkunststoffe gibt es eine Reihe neuer PEEK (Polyetheretherketon)- und PEK (Polyetherketon)-Verbundmaterialien, die die thermische Stabilität, die mechanische Festigkeit, den geringen Verschleiß, die chemische Beständigkeit, die Isolationsbeständigkeit und die Stiftdichte bieten, die für die anspruchsvollsten elektrischen Steckverbinder-Anwendungen erforderlich sind, unter anderem für Flugzeugtriebwerke und HPHT (High Pressure, High Temperature) Öl- und Gasbohrungen.

PEAK-Steckverbinder

Glasdichtung

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 versiegelten Glas-Metall-Steckverbinder wird Glas geschmolzen, um sowohl den Metallstift als auch das Gehäuse zu verkapseln und eine leitfähige Isolierung zwischen dem Gehäuse und den Stiften zu erzeugen. An den Metallkomponenten bildet sich eine sichtbare Oxidschicht, die den Glasfluss und die Haftung ermöglicht. Die Festigkeit 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 die Gefahr einer Verunreinigung besteht.

Glas ist ein guter elektrischer Isolator und hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie die Fähigkeit, einem hohen Betriebsdruck und hohen Temperaturen standzuhalten. Die Grenzen von Glas-Metall-Dichtungen werden jedoch deutlich, wenn sie unter extremen Betriebsparametern getestet werden. Diese Grenzen betreffen zwei Faktoren:

  • 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.
  • Einschränkungen im Herstellungsprozess – Die Schwierigkeit, Glas zu schmelzen, und seine Viskosität im geschmolzenen Zustand schränken die Arten von Metallen ein, die verwendet werden können.

Abstimmung von Glas und Metall

Glas-Metall-Dichtungen werden durch einen Schmelzprozess bei hohen Temperaturen, oft über 900 °C, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, geformt. Die Herstellung einer starken, elastischen Dichtung erfordert die Abstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen Glas und Metall. Der WAK ist das Ausmaß, in dem sich ein Material bei Temperaturänderungen ausdehnt und zusammenzieht. Während des Erwärmungs- und Abkühlungsprozesses muss die Geschwindigkeit, mit der sich das Volumen der beiden Materialien verändert, synchron bleiben, da andernfalls thermisch erzeugte Spannungen entstehen, wenn sich ein Material schneller ausdehnt als das andere.

Aufgrund der inhärenten Steifigkeit und Sprödigkeit von Glas ist die Beherrschung jeglicher WAK-Diskrepanz 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 Tausenden von Wärmezyklen unter tatsächlichen Betriebsbedingungen standhalten.

Diese Anforderung, die WAK des Metalls und des Glases aufeinander abzustimmen, schränkt die Auswahl 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 Edelstahl werden ebenfalls aufgrund der erforderlichen thermophysikalischen Eigenschaften ausgewählt. Diese Materialien sind jedoch mit erheblichen Abstrichen bei der elektrischen Leitfähigkeit verbunden – dem Hauptzweck elektrischer Steckverbinder.

PEEK und PEK beheben die Defizite von Glas

Die Einführung von elektrischen PEEK- und PEK-Steckverbindern überwindet die inhärenten Schwächen von Glas-Metall-Steckverbindern. Der WAK des thermoplastischen Materials muss nicht an das Metall angepasst werden, was eine Optimierung der elektrischen Eigenschaften der Metall-Durchführungsstifte ermöglicht. Ohne die Einschränkung, dass ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten übereinstimmen müssen, können die Leitermaterialien so gewählt werden, dass sie für die jeweilige Anwendung bestmöglich geeignet sind und nicht für ihr Herstellungsverfahren.

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

Durch die höhere elektrische Leitfähigkeit sind kleinere Stiftdurchmesser möglich, was eine deutlich höhere Stiftdichte und mehr Flexibilität bei der Gestaltung des Stiftmusters ermöglicht, und so zu einer geringeren Gesamtgröße des Steckverbinders führt. Spritzgussverfahren 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 Energiebranche sind das Gewicht und die Maße der Komponenten entscheidend für die Gesamtleistung der Teilsysteme.

Drehbarer PEEK-Steckverbinder

Ein wichtiger Unterschied zwischen PEEK und Glas besteht in der Geometrie der inneren Dichtung, bei der das isolierende Material jeden Metallstift umschließt. PEEK-Steckverbinder werden in einem Spritzgussverfahren hergestellt, bei dem PEEK auf den Stift gespritzt wird. Bei dieser Methode erstreckt sich die Dichtung über die gesamte Länge des Metallstifts. Daher ist die Verbindung haltbarer als spröde Glasdichtungen. Innere Spannungen in Glasdichtungen oder eine ungleichmäßige Wärmeausdehnung des Metallkontaktes können Risse in der Dichtungsoberfläche verursachen, die zu einem vorzeitigen Versagen des Bauteils führen. Die niedrigere Glasübergangstemperatur von PEEK ermöglicht 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 Bauteil entsorgt werden muss.

Anspruchsvollste Anwendungen

Bei Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und gleichbleibende Leistung entscheidend sind, etwa bei Flugzeugtriebwerken und Tiefbohrarbeiten, bieten elektrische PEEK- und PEK-Steckverbinder mehrere wichtige Vorteile:

  • Zuverlässige Strom- und Signalübertragung – Kompatibilität mit optimalen Metallstift-Materialien, beispielsweise Berylliumkupfer
  • Anwendungen mit hohem Druck und/oder hohen Temperaturen- Bis zu 232 °C (450 °F) und bis zu 35.000 psi, und mit speziellem, hochvernetztem PEEK-Thermoplastkunststoff bis zu 260 °C (500 °F) und 45.000 psi. Widerstandsfähigkeit gegenüber schnellen und extremen Druck- und Temperaturschwankungen
  • Chemische Widerstandsfähigkeit – Schwefelwasserstoff, Methanol, Bohrspülungen, Bohrlochprodukte, usw.
  • Mechanische Festigkeit – Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Vibrationen ohne Verlust der Kontinuität
  • Langlebigkeit – Weniger anfällig für Beschädigungen durch unsachgemäße Handhabung

Elektrische Steckverbinder für Unterwasserenergie

Thermoplastkunststoffe übertreffen Glas

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

Ingenieure und Forscher entwickeln weiterhin innovative elastomerische und thermoplastische Materialien, um die Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern. Neben ungefülltem PEEK sind elektrische Steckverbinder auch mit ungefülltem PEK für verbesserte thermophysikalische Eigenschaften, sowie als gefüllte PEEK- und PEK-Typen für verbesserte mechanische Festigkeit erhältlich. Für extreme Bedingungen kann vernetztes PEEK, beispielsweise Arlon 3000XT, bei Temperaturen bis zu 500 °F, und einem Druck von 45.000 psi bestehen und ist nachweislich um 30 % stärker als andere in der Öl- und Gasexploration verwendete Materialien.

Dieser Artikel stammt aus dem neuen „Connector Supplier“ E-Book, 2022 robuste Verbindungen für raue Umgebungen.