Откройте для себя многогранный мир: узнайте о применении и преимуществах силикона

Силикон — вечнозеленый материал, используемый во многих отраслях промышленности благодаря своему исключительному диапазону надежности. От дальнейших инженерных прорывов в медицине до самого простого использования в повседневных бытовых товарах силикон имеет потенциал изменить мир, в котором мы живем. Однако что делает этот материал уникальным и почему он так важен для столь обширного набора дисциплин? В этой статье рассматриваются многогранные применения и преимущества силикона, с упором на его функциональные характеристики, функциональное использование и, конечно же, его вклад в современные технологии, здравоохранение и экологичность. Если вы задаетесь вопросом о последних тенденциях или о том, как силикон улучшит ваш опыт в повседневной жизни, это руководство расширит ваши знания об этом невероятном и полезном материале.

Какие существуют виды силикона?

Силиконы можно разделить на различные ниши в зависимости от их формул и услуг. Основные типы следующие:

1. Жидкая силиконовая резина (LSR), известная своей гибкостью и долговечностью, находит применение в медицинских технологиях, кухонной посуде и автомобильных деталях благодаря своей способности выдерживать воздействие тепла и химикатов.
2. Силикон, вулканизирующийся при комнатной температуре (RTV), — это тип силикона, который часто используется в строительстве и электронике в качестве клея или герметика благодаря своей высокой эластичности в сочетании с неотвержденной формой.
3. Высококонсистентная резина (HCR) или твердый силикон используется в литье и экструзионные приложения, такие как промышленные ролики и прокладки.
4. Фторсиликон — еще один вариант силикона, подходящий для экстремально стойких к топливу, маслу и растворителям применений, в первую очередь в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Каждый вид силикона обладает определенными физическими и химическими свойствами, что позволяет ему эффективно работать в различных областях применения.

Понимание жидкой силиконовой резины (LSR)

Жидкий силиконовый каучук (LSR) — уникальный материал, известный своей прочностью, гибкостью и способностью выдерживать высокие температуры, низкие температуры и различные условия. Это эластомер, вулканизированный платиной, и он в основном используется в литье пластмасс под давлением для создания очень точных деталей. Благодаря своей превосходной химической стойкости, биосовместимости и термической стабильности LSR широко используется в медицинских приборах, автомобильных деталях и потребительских товарах. Его легкая структура, нетоксичность и постоянная эффективность в экстремальных условиях — вот почему он используется в различных отраслях промышленности.

Изучение разновидностей твердой силиконовой резины

SSR, также называемый твердой силиконовой резиной, является замечательным материалом среди других семейств силиконов благодаря своей прочности, гибкости и устойчивости к воздействию окружающей среды. Главное различие между LSR и SSR заключается в том, что SSR продается только в формате HCR, который требует обработки с помощью формы компрессионного или трансферного формования.

Некоторые основные характеристики твердой силиконовой резины 

SSR обладает большими механическими возможностями, такими как прочность на разрыв и удлинение. Рабочая температура находится в диапазоне от -60°C до 230°C, что облегчает использование в суровых экстремальных условиях. SSR довольно выражен из-за своих замечательных изоляционных свойств, что делает его прекрасной альтернативой при создании электронных компонентов. Эти материалы также устойчивы к ультрафиолетовому излучению, озону, старению и химическим веществам, что обеспечивает длительный срок службы и надежную работу.

Основные варианты использования

Теперь для SSR доступен широкий спектр вариантов использования, некоторые из которых включают следующее:

• Автомобильная промышленность: прокладки, уплотнительные кольца и все другие уплотнительные элементы, которые должны выдерживать воздействие глубокой горячей воды и агрессивных жидкостей.
• Электроника: изоляторы, клавиатуры и другие важные герметизирующие компоненты, используемые в чувствительных устройствах.
• Медицинские изделия: трубки, пробки и другие уплотнители, необходимые для биосовместимых материалов медицинского назначения.
• Промышленное применение: мембраны, обладающие долговечностью, демпфирующими компонентами и прочными уплотнениями.

Показатели производительности твердой силиконовой резины обычно выше, чем у термопластичных и других эластомеров в экстремальных условиях. Например, твердая силиконовая резина имеет прочность на разрыв от 5 до 12 МПа в зависимости от рецептуры и удлинение при разрыве до 700%. Кроме того, материал имеет твердость по Шору А от 20 до 80, тем самым предоставляя более широкий спектр возможностей в соответствии с необходимыми требованиями к применению.

Сочетая в себе исключительную механическую и термическую стабильность, а также химическую стабильность, твердый силиконовый каучук по-прежнему актуален для совершенствования технологий и предоставления надежных решений в различных отраслях промышленности.

Силиконовые смолы и их уникальные свойства

Силиконовые смолы — это, в частности, органосилоксановые полимеры, которые сильно сшиты и обладают замечательными характеристиками, которые выгодны для использования в различных сценариях. Эти смолы не только исключительно хорошо работают в инкапсулированных средах при воздействии экстремальных температур от -50 градусов по Цельсию до более 250 градусов по Цельсию, но и их термическая стабильность также значительно улучшена. В электрических или электронных приложениях эти полимеры делают свою валюту диэлектрической прочностью до 500 вольт/мил в зависимости от состава полимера из-за самоочевидных высоких электроизоляционных характеристик.

Силиконовые смолы не только обеспечивают физическую стабильность, но и, благодаря химической структурной организации, они обеспечивают устойчивость к различным погодным условиям, включая разрушение озоном, радиацию, влажность и даже окисление. Будучи превосходным покрывающим агентом, силиконовые смолы используются для присоединения различных поверхностей к покрытию. Силиконовые смолы также обеспечивают широкий спектр применения, поскольку являются химическим соединением с низким поверхностным натяжением. Таким образом, силиконовые смолы широко используются в антипригарных покрытиях.

Кремниевые смолы также широко используются в покрытиях для более широкого спектра применений, поскольку являются химикатами с низким поверхностным натяжением; они демонстрируют улучшенные механические свойства и обеспечивают гибкость благодаря своей прочной, жесткой структуре и плотной сшивке. Они демонстрируют большую внутреннюю твердость. В промышленных применениях эти кремниевые смолы также могут быть модифицированы или смешаны с различными материалами, что повышает их устойчивость к теплу, а также химическую стабильность при воздействии различных степеней масел и растворителей.

Благодаря технологическому прогрессу в области синтеза, силиконовые смолы теперь используются в таких передовых отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и возобновляемая энергетика. Например, их способность создавать прочное защитное покрытие важна для безопасности солнечных панелей и любого другого оборудования, используемого на открытом воздухе, что позволяет увеличить долговечность изделий даже при использовании в суровых погодных условиях. Такая многофункциональность демонстрирует большое значение силиконовых смол для дальнейшего развития современного материаловедения.

Как изготавливается силикон и каковы его основные компоненты?

Силоксановая основа: основа силикона

Основой, характеризующей силикон, является силоксановый каркас, который связывает атомы кислорода и кремния в повторяющейся манере (Si-O-Si). Эта уникальная связь придает силикону гибкость и стабильность при воздействии высоких температур или термических ударов, а также химическую стойкость. Введение органических частей, присоединенных к атомам кремния, таких как метил и фенил в качестве групп, еще больше улучшает свойства материала, и эти особенности позволяют настраивать такой материал и использовать его для бесчисленных целей. В результате полимер силоксановой основы играет решающую роль в определении характеристик полезного срока службы силиконов и их способности выдерживать различные промышленные и коммерческие применения.

От сырья до конечного продукта: процесс производства силикона

Первый этап производства силикона — это извлечение и очистка кремния, который обычно получают из кремнезема или песка. Первый этап требует использования электрогенератора, который работает при очень высокой температуре и добавляет кокс или уголь к диоксиду кремния. Этот электрогенератор обеспечивает реакцию между кремнием и углеродом и производит очищенный кремний, работая при температуре 1700–2000 градусов по Цельсию, что позволяет достичь выхода кремния 98–99 процентов.

Вторая стадия процесса известна как процесс Мюллера-Роуча. На этой стадии кремний марки Pulmetal подвергается химической реакции, в ходе которой он контактирует с медью и соединяется с метилхлоридом. Этот процесс заканчивается получением хлорсиланов для продуктов, содержащих силикон. Конечная форма, используемая в силиконовых продуктах, — диметилдихлорсилан, хлорсиланы сначала перегоняются, а после достижения уровня чистоты их помещают в воду, что в итоге приводит к получению продуктов, представляющих собой полимеры на основе силоксана.

Затем эти полимеры изменяются для выполнения ряда задач; длина цепи, плотность и даже определенные функциональные группы изменяются для получения продукта, идеально подходящего потребителю. Обработка и температурный диапазон определяют вязкость, эластичность и термическую стабильность. Например, силиконовые эластомеры могут выдерживать экстремальные температуры, что делает их весьма полезными для медицинской и аэрокосмической промышленности с температурным диапазоном от -100 до 300 градусов по Цельсию.

Процессы производства силикона осуществляются контролируемым и организованным образом с большой заботой о ресурсах и качестве. В то время как некоторые методы производства способствуют большему потреблению энергии, создавая больше отходов, другие методы, как говорят, соответствуют отраслевым и экологическим стандартам. Например, некоторые ученые упоминают, что существует растущая тенденция добавлять регенерированный кремний, который происходит из электронных отходов, в производство силикона, поскольку это уменьшает потребность в добыче ресурсов и снижает выбросы. При правильной технологии и контролируемых процессах управления силикон способен удовлетворять различные потребности отраслей, обеспечивая при этом устойчивый подход.

Изменение свойств силикона с помощью добавок

Добавление органических силиконовых добавок и наполнителей может улучшить функциональность силикона во многих отношениях, позволяя использовать его в различных отраслях промышленности. Наполнитель может увеличить механическую прочность кремнезема, а пластификаторы помогают увеличить гибкость и удлинение силикона. Работы Бреннеке и др. предполагают, что включение пирогенного кремнезема в силиконовые эластомеры в количестве около 10-30 мас.% может привести к увеличению прочности на разрыв силиконовых эластомеров примерно на 50%.

Более того, те же неорганические соединения, которые используются для повышения гибкости силиконовых эластомеров, могут также использоваться в качестве добавок для повышения термостойкости и огнестойкости. Аналитические данные показывают, что соединения с 50 мас. % гидроксида алюминия обладают значительным? Кант подавлением горючести соединений с гидроксидом алюминия, что делает его пригодным для использования в электрических и автомобильных компонентах. Экологически чистые пигменты и УФ-стабилизаторы сохраняют характеристики материала и его цвет при воздействии суровых условий окружающей среды в течение длительного времени.

Оптимизация работы Филипа Мате включает тщательный выбор и пропорционирование добавляемых наполнителей и пластификаторов. Используя передовые методы материаловедения и специальные методы формулирования, производители могут изготавливать силиконовые материалы, которые соответствуют определенным требованиям спецификаций для силиконовых материалов, таким как увеличенный размер для долговечности медицинских устройств или улучшенная термостойкость для космических полетов.

Каковы наиболее распространенные области применения силикона в различных отраслях промышленности?

Силикон в строительстве: герметики, клеи и изоляция

Благодаря своей способности оставаться гибким, прочным и термостойким силикон играет важную роль в строительной отрасли. Поэтому силиконовые герметики используются для гидроизоляции и герметизации структурных соединений, допуская при этом перемещение от теплового расширения и осадки здания. Согласно данным, мировой рынок силиконовых герметиков в 2.95 году оценивался примерно в 2022 млрд долларов и, вероятно, будет расширяться из-за роста спроса на развитие инфраструктуры.

Силиконовые клеи имеют решающее значение для склеивания различных поверхностей, таких как стекло, металл и пластик. Их способность выдерживать суровые температуры и ультрафиолетовое излучение обеспечивает долговечность конструкции, тем самым снижая требования к обслуживанию. Однако НИОКР смещаются в сторону более экологически устойчивых альтернатив, которые дают мало или вообще не дают выбросов ЛОС.

В стремлении построить энергоэффективные конструкции силиконовые изоляционные материалы вносят большой вклад, поскольку они обладают превосходными тепло- и электроизоляционными свойствами, а также огнестойкостью и изолирующими свойствами электрических кабелей. Исследования показывают, что при использовании силиконовой полимерной изоляции в строительстве потребление энергии может быть сокращено на целых 20 процентов, что делает ее идеальной для использования в строительстве. Все эти факторы позволяют силиконовой изоляции удерживать вместе традиционные строительные материалы и, таким образом, получать всемирное признание.

Медицинское применение: от имплантатов до трубок

По сравнению с другими материалами, силикон является лучшим материалом для имплантатов, поскольку он демонстрирует биосовместимость и соответствующую гибкость. Ниже приведен полный список медицинских применений силикона.

Имплантаты

Силикон, выдерживающий высокие температуры, нашел множество применений, включая грудные имплантаты, электроды кардиостимуляторов и искусственные суставы, которые требуют установки внутрь тела. Было обнаружено, что он допускает лишь незначительные негативные воздействия на тело пациента и обеспечивает ему комфорт за счет естественного движения и гибкости. Для долгосрочных медицинских процедур силиконовые имплантаты, как установлено, имеют более 90% успеха.

Трубки и катетеры 

Медицинские трубки на основе силикона обладают лучшим термическим балансом и лучшей химической нейтрализацией, что позволяет использовать их в системах внутривенной доставки лекарств, диализных аппаратах и ​​бесчисленном количестве других медицинских нужд. Трубки помогают не вызывать появление бактерий в критических ситуациях, тем самым обеспечивая безопасность установок.

Повязки на рану 

По сравнению с другими перевязочными материалами силикон, как было обнаружено, меньше воспаляется, что обеспечивает больше шансов на улучшение заживления или профилактику инфекции. Была достигнута гибкость в движении. Данные показывают, что силиконовая повязка ускоряет скорость восстановления на 30 процентов.

Протезы конечностей имеют силиконовую мягкую ткань, идеально подходящую к телу пользователя. Это большое улучшение, которое позволяет пользователю иметь длительный срок службы, когда речь идет о устройствах движения.

При создании форм для слуховых аппаратов силикон повышает удобство использования, поскольку он эластичен и не раздражает кожу человека, удерживая устройство на месте.

Силиконовые прокладки и медицинские силиконы необходимы для критических устройств, таких как кислородные вентиляторы или инфузионные насосы. Поскольку они обладают высокой устойчивостью к термическим и едким смесям, на дыхательное оборудование можно положиться.

Все эти приложения, несомненно, повысили эффективность устройств и, по прогнозам, значительно возрастут в будущем.

Автомобильная промышленность: прокладки, уплотнения и электроизоляция

Силиконовые прокладки и уплотнения являются высокоэффективными силиконовыми материалами, используемыми в автомобильной и машиностроительной промышленности. В условиях высокого давления такие уплотнения поддерживают герметичность и водонепроницаемость барьеров, одновременно предотвращая утечку масел или охлаждающей жидкости. Более того, применение изоляции проводов и устройств еще больше расширяет применение силикона, обеспечивая отличную изоляцию и надежность для быстро развивающихся систем транспортных средств. С ростом тенденции к электрификации, особенно в автомобильной промышленности, применение силикона теперь также включает изоляцию для аккумуляторов большой массы и силовых электронных соединений. Способность силикона выдерживать экстремальные температуры и химические среды обеспечивает его пригодность к использованию и соответствие промышленным нормам, что делает его одним из ключевых материалов для проектирования и производства автомобилей.

Чем силикон отличается от других материалов, таких как пластик?

Температурная стойкость: силикон против традиционных пластиков

В отношении температурной стабильности силикон превосходит большинство, если не все, обычные пластики по сравнению с другими пластиками на рынке. При экстремально низких температурах от -50 °C до высоких 250 °C силиконовые масла никогда не теряют своей структурной целостности. Тепло, с другой стороны, является Криптоном для обычных пластиков, поскольку они имеют тенденцию быть выше нормы и поддаются размягчению или деформации, в то время как при низких температурах они имеют тенденцию становиться хрупкими. Это единственная причина, по которой силиконовые масла или резины безупречны для сложных условий, поскольку они могут выдерживать серьезные перепады температур.

Гибкость и долговечность: чем силикон выделяется

Силикон обладает замечательными характеристиками, в основном прочностью и долговечностью. В отличие от обычных полимеров, которые теряют эластичность при экстремальных температурах, силикон способен сохранять гибкость. Он также способен быстро и легко восстанавливаться после физических нагрузок, таких как растрескивание, разрыв или даже химическая деградация, что позволяет использовать его многократно в течение длительного периода времени. Эти эффективные характеристики в совокупности также позволяют ему работать в физически сложных условиях, будь то промышленные или потребительские. Силикон демонстрирует замечательные долговечные характеристики, что позволяет использовать его в различных приложениях.

Воздействие на окружающую среду: преимущества силикона в плане устойчивости

Силикон обладает различными экологически чистыми характеристиками. Этот материал чрезвычайно долговечен и, следовательно, не требует регулярной замены, что сводит к минимуму отходы с течением времени. Более того, силикон выдерживает экстремальные температуры и деградацию, увеличивая свою долговечность по отношению к материалам. Хотя силикон не является биоразлагаемым, в некоторых случаях его можно перерабатывать на специализированных предприятиях, что уменьшает углеродный след. Кроме того, если другие ресурсы заменяются силиконом вместо одноразового пластика или непрочного материала, силикон помогает сократить отходы и поощряет лучшее поведение потребителей. Это делает силикон привлекательным вариантом для экологически чистых и долгосрочных применений.

Каковы уникальные преимущества использования силиконовых изделий?

Термостойкость и термостойкость

Силикон имеет авторитетный статус в отношении того, насколько эти продукты термостойки и обладают термической стабильностью, что позволяет использовать их во многих приложениях. Они могут выдерживать экстремальные температуры от -50°C до 200°C, в то время как некоторые специальные характеристики могут выдерживать более высокие температуры. В отличие от ряда органических полимеров, силикон является материалом, который не портится и не теряет свою структуру при высоких температурах, что делает его отличным для автомобильной промышленности, кухонной посуды и некоторых промышленных прокладок.

Его термическая стабильность дополняет то, что превосходные эксплуатационные характеристики достигаются даже при изменении условий эксплуатации. Например, силикон сохраняет свою эластичность и гибкость при низких температурах, не растрескиваясь и не затвердевая. Такая степень термической эффективности гарантирует, что на силикон можно положиться в долгосрочной перспективе в различных областях техники, от аэрокосмической до электронной. Кроме того, эффективность силикона как изоляционного материала повышается благодаря его низкой теплопроводности, что является дополнительным преимуществом для силикона в различных отраслях промышленности. Эти свойства улучшают не только эксплуатационные характеристики, поскольку они также способствуют снижению отказов продукции, что снижает расходы на техническое обслуживание и отходы в окружающую среду.

Химическая инертность и биосовместимость

Силикон известен своим эпитетом химически инертного ресурса, который обладает способностью быть нечувствительным к большинству химических реакций. Он структурно стабилен, что защищает его от многих химических процессов, таких как окисление кислотой, основанием или растворителем. Благодаря своим химическим экранирующим свойствам силикон широко используется в медицинской и промышленной сфере, например, в уплотнениях, прокладках и имплантатах для сред, содержащих агрессивные химикаты.

Биосовместимость силикона является важным аспектом, который дополнительно способствует проникновению силикона в медицинскую сферу. Примерами исследований, проведенных с целью обоснования целостности силикона, являются анализы цитотоксичности, испытания иммуногенности и оценки in vivo. Для добровольцев, предоставленных Michelin, которые перенесли операцию PPI, исследования показали, что побочные реакции и инфицирование имплантата в течение первого месяца составили 6% и 7% соответственно. FDA специально одобрило использование силиконовых имплантатов в ортопедической реконструкции, реабилитации и стоматологической хирургии, доказав, что эти имплантаты безопасны в использовании.

Безопасность от вреда обеспечивается за счет устойчивости силикона к химическим и биологическим взаимодействиям, что делает его незаменимым материалом в аэрокосмической и морской промышленности. Для защиты плохо проводимых биосовместимых материалов от нанесения вреда человеческому организму может использоваться силикон в сочетании с другими ресурсами.

Электроизоляционные свойства

Силикон является сильным изолятором и имеет множество применений в различных отраслях промышленности, где работа в условиях многофункциональности имеет большое значение. Проводимость силикона плохая, что делает его хорошим изоляционным материалом в приложениях, использующих высоковольтные или даже низковольтные приложения. Он имеет умеренное пробивное напряжение от 20 кВ до 30 кВ на мм в зависимости от силиконовой смеси, что означает, что силикон может выдерживать очень сильные электрические поля без пробоя.

Что еще интереснее, силикон может выдерживать температуры от -60 градусов по Цельсию до 200 градусов по Цельсию, не теряя при этом своей способности к электроизоляции, и это позволяет силикону функционировать в суровых условиях, например, в автомобильной, аэрокосмической и целом ряде других отраслей промышленности. Кроме того, силикон является плохим проводником, а это означает, что влага, УФ-излучение и другие элементы окружающей среды не могут повредить его так быстро, как другие изоляционные материалы, которые обладают высокой проводимостью.

Электрические кабели, изоляция проводов или любые электрические компоненты, требующие изоляционного покрытия для защиты от воздействия окружающей среды, могут извлечь выгоду из использования силикона, поскольку его свойства делают его очень простым в нанесении и обеспечивают высокую прочность, износостойкость и универсальность. Сегодня силикон чрезвычайно актуален в технике и современных технологиях благодаря сочетанию диэлектрических свойств, механической прочности и экологической устойчивости.

Как силикон используется в электронике и электротехнике?

Защитные покрытия и инкапсулянты

Силиконы оказались бесценными в обеспечении долговременной функциональности и надежности электронных устройств путем создания защитных покрытий и инкапсуляций для них. Эти материалы действуют как барьеры от влаги, пыли и даже химических веществ, защищая устройства от коррозии или электрических неисправностей. Коэффициенты теплового расширения и сжатия силиконового покрытия, которое является очень гибким, позволяют значительно снизить растрескивание компонентов, тем самым предохраняя их от температурных колебаний.

Согласно отраслевым исследованиям и показателям, силиконовые герметики могут сохранять свои изоляционные свойства и продолжать работать даже при температурах от -50°C до 200°C. Кроме того, силиконовые герметики также защищают чувствительные к нагреву электронные схемы от тепловой деградации, тем самым демонстрируя свою впечатляющую термическую устойчивость. Наряду с этим, силиконовые покрытия демонстрируют впечатляющую диэлектрическую прочность, обычно выше 20 кВ/мм, что облегчает изоляцию даже в условиях высокого напряжения.

Силиконовые герметики широко используются при производстве светодиодных сборок, модулей питания и печатных плат (ПП). Поскольку силиконовые герметики могут заполнять пустоты и деформироваться в различные сложные геометрии, они обеспечивают полную защиту даже при работе со сложными конструкциями. Использование силиконовых покрытий в устройствах ПП имеет много преимуществ, одним из которых является снижение вероятности коротких замыканий, вызванных конденсацией, что повышает надежность промышленных систем и бытовой электроники.

Естественная устойчивость силикона к ультрафиолетовому излучению позволяет использовать его в наружной электронике и коммуникационных устройствах, включая солнечные панели, поскольку он защищает чувствительные компоненты от постоянного воздействия солнца. Кроме того, сочетание этих качеств делает силикон превосходной изоляцией для электроники.

Решения по управлению температурным режимом

Защита от нагрева может быть предоставлена ​​электронике нового поколения с помощью эффективного терморегулирования, тем самым гарантируя производительность и долговечность устройства. Современные приложения требовательны, поэтому сделали доступными новые и современные решения в отношении материалов и технологий. Материалы термоинтерфейса на основе силикона, прокладки, смазки и заполнители зазоров довольно популярны из-за их высокой теплопроводности и хорошей гибкости. Эти материалы помогают передавать тепло от ЦП или модулей питания к соответствующим охладителям.

Исследования, проведенные недавно, показывают, что материалы термоинтерфейса способны достигать проводимости 10 Вт/м·К, что значительно способствует рассеиванию тепла. Практическим примером этого являются силиконовые термопрокладки, которые могут выдерживать экстремальные температуры от -60 до 200 градусов в процессе эксплуатации, обеспечивая при этом надежную производительность. Такие экстремальные температуры делают силиконовые компоненты подходящими для идеальных вариантов использования, например, в автомобильной, аэрокосмической и высокопроизводительной вычислительной промышленности.

В то же время, компании-производители электроники нового поколения также используют PCM и гибридные TIMS. Почти вся электроника выдерживает скачки тепла, которые, как правило, делают ее менее эффективной, но использование скрытого тепла PCMS во время ее фазового перехода позволяет легко контролировать температуру. Кроме того, применение гибридных силиконовых материалов со встроенной проводящей керамикой позволяет достичь лучшего баланса между механической прочностью, напряжением и гибкостью. Такой низкий нагрев снижает последствия перегрева и теплового напряжения и даже препятствует нормальной работе устройства в суровых условиях. Эти факторы, наряду с разработкой передовых материалов и более точной инженерией, способствуют росту теплового управления в производстве электроники.

Силикон в гибкой и носимой электронике

Технологический прогресс носимой и гибкой электроники позволил силикону превратиться в незаменимый материал благодаря своим уникальным свойствам, таким как превосходная механическая гибкость, биосовместимость и термическая стабильность. Его способность формироваться на неровных поверхностях и выдерживать повторяющиеся радикальные изменения без износа и разрывов делает его идеальным материалом для датчиков, проводящих и инкапсулирующих материалов.

Возьмем, к примеру, силиконовые эластомеры, которые используются в гибких электронных схемах, и, согласно некоторым исследованиям, они могут растягиваться более чем на 200% и при этом нормально функционировать. Это выгодно, особенно для носимых устройств, таких как умная одежда, фитнес-трекеры или медицинские приборы, где комфорт и долговечность являются приоритетом. Низкую теплопроводность силикона также можно настроить с помощью теплопроводящих наполнителей, которые решают проблему рассеивания тепла, необходимую для мощных устройств.

Кроме того, превосходная биосовместимость силикона позволяет использовать его в устройствах, которые будут контактировать с кожей. В недавних отчетах о будущем рынке прогнозируется, что мировой сектор носимых технологий достигнет среднегодового темпа роста в 14.6 % в период с 2021 по 2028 год, при этом силиконы станут основными факторами, позволяющими удовлетворить потребности, требующие долговечности, гибкости и интеграции с передовыми технологиями, такими как биосенсоры и системы мониторинга здоровья в реальном времени. Этот рост еще раз доказывает активную роль силикона в содействии прогрессу в области носимой электроники.

Благодаря усовершенствованиям в технологиях изготовления, таким как 3D-технологии и методы микроформовки, силикон снова поднял планку для материалов, предназначенных для использования в гибких и носимых устройствах. Эти достижения позволяют создавать более компактные и энергосберегающие устройства и коммуникативные гаджеты для самых разных пользователей.

В чем разница между силиконом и силиконом?

Химический состав и структура

Кремний, в отличие от силикона, как следует из разницы в определении, является элементарным химическим веществом с атомной массой 14, что означает, что он классифицируется как металлоид. Обычно он встречается в кристаллической форме или как часть минерала, такого как диоксид кремния или силикаты, которые распространены в земной коре. В электронике он предпочтителен из-за своих полупроводниковых характеристик, обусловленных тетраэдрической решеткой атомов кремния.

С другой стороны, силикон определяется как синтетический полимер, состоящий из силоксановых цепей, которые образуются из комбинации кислорода, водорода, кремния и углерода. Основная повторяющаяся единица силикона содержит кремний-кислородные связи вдоль силоксановой цепи; это способствует гибкости и термической стойкости силикона. Связывание органических боковых групп (обычно метила или другого алкила) с атомами кремния может давать различные механические и химические характеристики. В результате силикон может быть разработан специально для использования в медицинских устройствах и носимой электронике.

Кроме того, силикон хорошо работает в высокопроизводительных приложениях, таких как носимые технологии, из-за его совместимости с кожей человека и устойчивости к экстремальным температурам. Эта устойчивость и более широкий диапазон рабочих температур в силиконе делают его хорошо подходящим для сред, требующих высокой прочности. Однако силиконы не следует использовать вместе с силиконами, поскольку их мягкие и гибкие свойства неприменимы в тех средах, где требуются установленные жесткие структуры.

Текущий статус химии силикона недавно был значительно укреплен в молекулярном дизайне, который напрямую улучшил вязкость, уменьшив сопротивление разрыву и адгезионные возможности. Если мы рассмотрим, почему силикон так популярен в промышленных и медицинских целях, то часть ответа кроется в его термостойкости, выдерживающей температуры от -75F до 500F. Постепенно начинаешь понимать, что кремний и силикон имеют кардинально разные характеристики и свойства, доминирующие в инженерном применении.

Физические свойства и применение

Благодаря своим необычайно стойким физическим свойствам силикон является неотъемлемым элементом в чрезвычайно широком спектре применений. Для начала, одним из ключевых факторов является доступность силикона в двух формах: масло или смола, что позволяет ему сохранять впечатляющую устойчивость к экстремальным температурам, даже более низким и более высоким. Например, силиконовый каучук имеет температурный диапазон от -60 градусов по Цельсию до 260 градусов по Цельсию, что позволяет размещать его в деталях автомобильных двигателей наряду с аэрокосмическими уплотнениями — оба очень экстремальных условия.

Наряду с этим, силикон также демонстрирует сильную устойчивость к погодным условиям, УФ-излучению и озону. Он также обладает явным преимуществом, будучи устойчивым к солнечному свету, сохраняя при этом свою прочность и упругость, качества, которых не хватает многим органическим полимерам. Следовательно, разнообразие его свойств делает его широко используемым в строительстве, например, в качестве погодоустойчивых мембран и даже уплотнительных систем, таких как герметики для солнечных панелей.

Хотя силикон высококомпозитен, он не реактивен, что делает его надежным для использования во время операций. Он не только надежен для имплантируемых медицинских устройств, но и для протезов и трубок систем доставки лекарств, поскольку не пропускает никаких токсичных веществ. Он не только универсален и надежен в использовании, но и благодаря своей водонепроницаемой поверхности используется даже в электронике, морских приложениях и строительстве для водонепроницаемых уплотнений.

Силикон обладает замечательными электроизоляционными характеристиками, что делает его очень важным компонентом в электронной промышленности. Его диэлектрическая прочность составляет от 400 до 900 вольт на мил в зависимости от формулы. Это свойство делает силикон важным компонентом для многих применений, включая изоляцию кабелей, герметики и соединительные устройства.

Недавний рост в области силиконовых формул также привел к изобретению других высокопроизводительных материалов, таких как силиконовый каучук (LSR) с низкой вязкостью и улучшенными механическими свойствами, такими как удлинение при разрыве и прочность на растяжение. Эти новые технологии значительно расширяют спектр применения в таких передовых областях, как робототехника, которая требует гибких и прочных компонентов, и передовые носимые технологии, которые требуют безопасных, совместимых с кожей материалов.

Сочетание этих качеств способствовало тому, что силикон стал материалом, обладающим большой гибкостью и надежностью в различных отраслях промышленности, открывая путь инновациям в здравоохранении, автомобилестроении, электронике и строительстве.

Распространенные заблуждения разъяснены

Существует распространенное заблуждение относительно силикона, которое включает в себя то, что он похож на элемент кремний; в большинстве случаев этот элемент используется в качестве основного компонента песка. Однако важно отметить, что силикон не связан с кремнием, поскольку силикон — это искусственный полимер, полученный с использованием комбинации кремния, кислорода и водорода. Это различие имеет решающее значение, молекулы силикона и кремния очень различны, силикон в основном используется для медицинских приборов, промышленных применений и потребительских товаров, тогда как кремний используется в микроэлектронике.

Среди распространенных заблуждений о силиконе есть идея, что все силиконовые материалы без исключения полностью экологически безопасны. Такие пластиковые заменители также относительно более благоприятны для окружающей среды. Однако они не могут быть биоразлагаемыми из-за природы материала, из которого они сделаны. Существуют успехи в создании перерабатываемых силиконовых соединений, которые помогут снизить деградацию окружающей среды.

Более того, существуют опасения относительно безопасности силикона во время медицинских процедур. Силикон, используемый в медицинских приспособлениях, таких как имплантаты, покрытия на протезах или других применениях, тщательно проверяется на предмет их применения в контакте с телом и требует соблюдения правил. Медицинский силикон доказал свою безопасность для организма, поскольку он нетоксичен, малореактивен и обладает антимикробными свойствами, что позволяет использовать его в течение длительного времени на поверхности тканей или даже кожи.

Наконец, существует миф, что силикон нельзя использовать в высокотемпературных средах. В зависимости от формулы, максимально эффективные силиконы могут работать в диапазоне температур от -60°C до более 200°C. Возьмем, к примеру, термостойкий силикон, он широко используется во многих автомобильных и аэрокосмических приложениях, где трубопроводы или компоненты подвергаются воздействию экстремальных температур.

Это заблуждение, наряду с научно обоснованными характеристиками силикона, помогает прояснить позицию силикона как многоцелевого материала — универсального, прочного и безопасного.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В: Почему силиконовые материалы считаются лучшими?

A: Силиконовые материалы термостойки, выдерживают определенные нагрузки и гибки. Они способны выдерживать высокие температуры, поэтому могут использоваться в различных целях. Кроме того, силикон химически инертен, не намокает и является плохим проводником электричества. Такие характеристики делают силикон полезным материалом, который используется в различных отраслях промышленности, таких как строительство и производство продуктов питания, среди прочих.

В: Какова роль силикона в изготовлении форм?

A: Силикон считается идеальным для изготовления форм, литья, прототипирования или пищевых продуктов из-за его свойств, позволяющих точно передавать детали, и гибкости. Силиконовые формы особенно полезны для деталей сложной формы и для деталей, которые, скорее всего, будут производиться оптом или использоваться многократно. Это отличная новость для сложных форм, поскольку их можно отливать несколько раз без повреждения.

В: Где еще можно использовать силиконовые герметики, кроме строительства?

A: Силиконовый герметик помогает герметизировать стыки и соединения и в основном используется в нескольких строительных и производственных операциях. Кроме того, он идеально подходит для использования в туалетах, кухнях и вокруг окон, чтобы снизить риск утечки воды. Силиконовый герметик также может использоваться в автомобильных деталях и электронике и даже в космической технике. Поскольку силикон может прикрепляться ко многим поверхностям и защищать их от намокания, он является очень хорошим герметиком.

В: Каков процесс отверждения силикона?

A: Можно сказать, что силикон отверждается посредством процесса вулканизации, где полимерные цепи сшиваются, чтобы сделать его твердым. Отверждение можно в целом разделить на два типа: вулканизация при комнатной температуре (RTV) и отверждение при нагревании. Силиконы RTV стремятся отверждаться в присутствии влаги в воздухе и обычно дают уксусную кислоту в качестве побочного продукта. С другой стороны, силиконы, которые отверждаются при нагревании, требуют повышенной температуры для начала отверждения. Конечный результат отвержденного при нагревании силикона более прочный.

В: Благодаря каким факторам силикон выдерживает высокие температуры?

A: Еще раз можно сказать, что необычайная температурная устойчивость силикона связана с химической структурой полимера. Внутри полимерной цепи существуют связи кремний-кислород, которые довольно стабильны и, как следствие, требуют много энергии для разрыва. Поскольку у него такие высокие точки разрыва, силикон может сохранять свои характеристики при довольно большом количестве высоких и низких температур, обычно от -50 до 200 градусов и далее, в зависимости от состава.

В: Какова классификация силиконовых материалов и как она строится?

A: Медицинский силикон классифицируется как тип силиконового сырья, который соответствует как химическим, так и физическим требованиям строгих правил. Кроме того, он биосовместим, следовательно, безвреден для человеческого организма. Существует множество различных медицинских применений, в которых находят применение силиконовые полимеры, поскольку спрос на них высок в силиконовых имплантатах, силиконовых протезах, силиконовых катетерах, силиконовых трубках и других силиконовых материалах. Их нереактивные и легко стерилизуемые свойства предлагают идеальное сочетание для медицинских применений.

В: Каковы методы изготовления силиконовых деталей?

A: Силиконовые компоненты изготавливаются различными методами, наиболее часто используемым из которых является литье под давлением. Этот метод позволяет изготавливать силиконовую деталь путем впрыскивания жидкого силиконового каучука в полую полость, где он затем оставляются для затвердевания. Другие методы производства включают компрессионное формование, экструзию и 3D-печать. Используемый производственный процесс определяется на основе сложности компонента, требуемых спецификаций и необходимого объема.

В: Опишите конкретные области техники, в которых силикон рассматривается как инновационный материал.

A: Силикон был разработан для удовлетворения конкретных потребностей различных отраслей промышленности, что привело к ошеломляющим достижениям во многих областях. Некоторые заметные инженерные достижения включают в себя теплоизоляцию из силиконовой пены, силиконовую смазку для использования в экстремальных условиях и силиконовое масло, используемое для гашения вибраций в чувствительном оборудовании. Кроме того, его можно использовать для гибкой электроники, мягкой робототехники и передовых аэрокосмических технологий. Благодаря своей замечательной универсальности и многочисленным свойствам он является важнейшим материалом для решения сложных инженерных задач.

Справочные источники

Витримерные силиконовые эластомеры, созданные благодаря сшиванию с использованием динамической кислоты Мелдрума ( Ишибаши и Калоу, 2018, стр. 482-486 )

Ключевые результаты

• Непосредственно взаимозаменяемые эластомеры образуются в результате реакции присоединения-элиминирования тиолов с кислотой Мельдрума с последующим перекрестным взаимодействием, что позволяет модифицировать их путем сжатия. Эластомеры также продолжают демонстрировать неизменные уровни следующих параметров: модуль Юнга, Tg и резиновое плато E' после выполнения 10 циклов повторного формования.
• После завершения 10 циклов энергия активации релаксации напряжений осталась неизменной, что соответствует 23-му циклу.

Методология

• В этом исследовании такие факторы, как состояние сшитого полимера и температура, определяющие форму силиконовых эластомеров, были учтены путем создания нового динамического сшивающего агента, объединяющегося с кислотными силиконовыми эластомерами Meldrum.
• Они собрали данные, посвященные механическим характеристикам силиконовых эластомеров, подвергнутых циклическому воздействию.

2. Влияние высокой влажности на ускоренную механическую деградацию люминофорно-силиконового композита для белых светодиодов. ( Фан и др., 2019 )

Основные переменные:

• Высокие скорости отверждения для силиконовых композитов с фосфорной оболочкой могут быть достигнуты при высоких температурах отверждения и высоких массовых соотношениях фосфор/силиконового композита.
• Сшивание силиконовых олигомеров определяет химию отверждения композитов на основе фосфора и силикона.
• Этот тип композита демонстрирует повышенные значения модуля Юнга после старения в течение четырнадцати дней в условиях высокой влажности. Это является результатом процессов окисления силикона, сшивания и гидролиза фосфорного порошка.

Подход:

• В данном исследовании использовались готовые фосфорно-силиконовые композиты, а для диагностики вязкости в процессе отверждения полимера использовались дифференциальная сканирующая калориметрия и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье.
• Для оценки механических характеристик композитов на основе фосфора и силикона после испытания на старение в условиях высокой влажности использовались испытания на растяжение, конечно-элементное моделирование и метод Мори Танаки.

3. Образование гранулем, вызванное инъекцией силикона при увеличении мягких тканей лица: механизмы и обзор литературы ( Ван и др., 2018, стр. E46–E51 )

Ключевые результаты: 

• Силиконовые гранулемы могут развиться после инъекций силикона в косметических целях для лица, и они представляют опасность при длительном воздействии, которую обычно игнорируют.

Методология: 

• Авторы провели обзор литературы, в которой были опубликованы случаи силиконовых гранулем за период с сентября 2007 г. по сентябрь 2017 г., и представили различные сценарии, при которых было задокументировано образование силиконовых гранулем.
• Кроме того, они изучили иммунологические основы образования гранулемы и других осложнений инъекций силикона.