Si vous avez déjà tenu dans vos mains un appareil électronique qui a survécu à une chute d'un établi, l'électronique sous le capot d'une voiture qui a traversé des nids-de-poule et des variations de température, ou même un composant aérospatial qui a volé dans un air turbulent, vous avez fait l'expérience de l'amortissement des vibrations au travail. La plupart des gens ne pensent pas au cheval de bataille silencieux qui rend cette durabilité possible, mais pour les ingénieurs qui conçoivent pour des environnements à fortes vibrations, les composants en silicone sont bien plus qu'un simple scellant ou un mastic : c'est l'épine dorsale d'une gestion fiable des vibrations. En tant que fournisseur de composants en silicone avec des décennies d'expérience dans les industries allant de l'automobile aux contrôles industriels, j'ai pu constater par moi-même comment ce matériau surpasse les autres options, mais seulement lorsque vous comprenez comment ses propriétés uniques se traduisent en performances d'amortissement des vibrations réelles.
Pour commencer, expliquons pourquoi les vibrations constituent un problème si critique pour les composants électroniques et mécaniques. Les vibrations, qu'elles proviennent du bruit de la route, du fonctionnement du moteur ou des turbulences atmosphériques, créent une contrainte cyclique sur les minuscules joints soudés, les capteurs délicats et les circuits imprimés. Au fil du temps, cette contrainte entraîne une rupture par fatigue : des fissures de soudure, des connecteurs desserrés et un mauvais alignement des capteurs, même si le composant ne surchauffe pas ou n'est jamais mouillé. C'est là qu'interviennent les matériaux amortisseurs de vibrations : leur rôle est d'absorber cette énergie cyclique, de la convertir en une petite quantité de chaleur et de l'empêcher d'endommager les pièces sensibles. Le composant silicone est particulièrement adapté à cela en raison de sa structure moléculaire : de longues chaînes de polymère de silicone flexibles qui peuvent s'étirer et se réorienter sans se casser, associées à une faible température de transition vitreuse (Tg), ce qui signifie qu'il reste flexible même dans des conditions froides où d'autres matériaux durcissent et se fissurent.
Comparons cela à des matériaux alternatifs courants pour mettre cela en perspective. Les époxy, par exemple, sont rigides et offrent un bon support structurel, mais leur Tg élevée signifie qu'ils deviennent fragiles à des températures inférieures à zéro, se transformant en un mauvais amortisseur de vibrations précisément lorsque des équipements tels que des machines agricoles ou des véhicules tout-terrain fonctionnent en hiver. Les uréthanes sont légèrement plus flexibles que les époxy, mais ils peuvent se dégrader sous l'effet de l'exposition aux UV ou à des températures élevées (comme l'environnement de 120 °C sous le capot auquel de nombreux composants automobiles sont confrontés), entraînant une perte de performances d'amortissement au fil du temps. Le composant silicone, en revanche, conserve sa flexibilité sur une plage de températures allant de -60 °C à 200 °C pour de nombreuses formulations, ce qui correspond exactement à la plage dans laquelle fonctionnent la plupart des applications à fortes vibrations.
Passons maintenant aux mesures de performances spécifiques qui sont importantes pour l’amortissement des vibrations. Le chiffre clé ici est la tangente de perte (tan δ), qui mesure la capacité d'un matériau à dissiper l'énergie vibratoire. Une valeur tan δ supérieure à 0,1 signifie qu'un matériau est efficace pour l'amortissement ; des valeurs supérieures à 0,3 signifient qu'il est très efficace. La plupart des composants silicones destinés à l'amortissement des vibrations ont un tan δ compris entre 0,2 et 0,5 sur toute leur plage de températures de fonctionnement, ce qui surpasse à la fois les époxy (généralement tan δ < 0,1) et même de nombreux matériaux spécialisés en uréthane amortisseurs de vibrations (qui descendent souvent en dessous de 0,1 à des températures extrêmes). Cela signifie que lorsqu'un composant enrobé ou scellé avec du silicone est exposé à des vibrations, il absorbe 20 à 50 % de cette énergie cyclique, plutôt que de la laisser se transférer directement aux pièces internes.
Mais ce n'est pas seulement le bronzage δ qui compte : la manière dont le silicone est appliqué fait une énorme différence. Les composés d'enrobage silicone à deux composants, par exemple, durcissent pour former une couche uniforme et sans contrainte autour des composants, ce qui est idéal pour encapsuler les circuits imprimés qui nécessitent une protection complète contre les vibrations. NotreComposé d'enrobage en silicone SO-820 | Matériau d'encapsulation RTV UL 94 V-0 Taïwanest formulé spécifiquement pour cela : il a un tan δ de 0,35 à température ambiante, durcit sans retrait (un gros plus car le retrait crée une contrainte interne qui peut conduire à une défaillance des composants) et répond à la norme de résistance aux flammes UL 94 V-0 pour les applications où la sécurité incendie est une préoccupation. J'ai travaillé avec un constructeur automobile qui est passé de l'enrobage époxy au SO-820 pour ses unités de commande moteur (ECU) et j'ai constaté une baisse de 70 % des pannes liées aux vibrations sur le terrain en 18 mois. La raison ? La flexibilité du silicone correspondait mieux au coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux des cartes de circuits imprimés que l'époxy, de sorte que lorsque l'ECU chauffait et refroidissait pendant le fonctionnement, il se déplaçait avec la carte au lieu de créer une contrainte sur les joints de soudure, tout en absorbant également les vibrations de la route et du moteur qui autrement fissureraient les connexions.
Pour les applications qui ne nécessitent pas d'encapsulation complète, comme l'étanchéité des capteurs ou des connecteurs, les silicones RTV monocomposant sont souvent le meilleur choix. NotreMastic silicone électronique alcoxy Rtv-1durcit au contact de l'humidité, ce qui facilite son application sur site ou lors de l'assemblage, et présente un bronzage δ de 0,28 entre -40°C et 150°C. Je me souviens d'un client du secteur du matériel agricole qui rencontrait des problèmes de vibrations provenant des moteurs de tracteur qui desserraient leurs capteurs de vitesse. Ils utilisaient un adhésif à usage général qui durcissait en une couche rigide en un mois et le capteur se déplaçait. En passant à notre mastic silicone alcoxy RTV-1, le capteur bouge légèrement avec les vibrations, tandis que les propriétés d'amortissement du silicone absorbent le bruit haute fréquence du moteur qui desserrait le support. Ils n'ont signalé aucune défaillance de capteur liée aux vibrations après le changement, ce qui leur a permis d'économiser plus de 20 000 $ en réclamations au titre de la garantie au cours d'une seule saison de récolte.
Une autre application courante à fortes vibrations concerne l’électronique du dessous de capot et de la carrosserie automobile. Les mastics silicones blancs à transfert thermique pour automobiles ont un double usage : ils scellent, dissipent la chaleur et amortissent les vibrations. NotreMastic silicone blanc pour transfert de chaleur automobilea une conductivité thermique de 0,8 W/mK (beaucoup plus élevée que les mastics silicone standards, qui sont d'environ 0,2 W/mK) plus un tan δ de 0,3 sur la plage de température typique sous le capot. Pour les systèmes de gestion de batterie de véhicules électriques (BMS), où les modules sont exposés aux vibrations de la route et doivent rester à une température constante, ce mastic est parfait : il lie les modules de batterie au châssis, absorbe les vibrations qui fatigueraient les connexions des modules et évacue la chaleur générée lors de la charge et de la décharge. Nous avons travaillé avec une startup fabricant de véhicules électriques qui a testé ce scellant par rapport au produit en uréthane d'un concurrent sur ses modules BMS. Après 1 000 heures de tests de vibration à 10 g (une norme pour les composants automobiles), l'uréthane du concurrent avait développé des microfissures qui permettaient la pénétration de l'humidité, tandis que notre mastic silicone ne montrait aucun signe de fissuration et conservait ses propriétés d'amortissement.
Mais tous les composants silicones ne sont pas égaux en termes d’amortissement des vibrations. Il y a quelques facteurs clés à prendre en compte lors du choix du matériau adapté à votre application. Premièrement, la vitesse de polymérisation : si vous devez traiter des pièces rapidement, un système à deux composants comme notreComposé d'empotage électrique en silicone en 2 partiesqui durcit en 15 à 30 minutes à température ambiante est meilleur qu'un système monocomposant à durcissement lent. Si vous réparez sur place ou appliquez des pièces de grande taille, un système en une seule pièce comme notreMastic silicone en une partiequi guérit en 24 heures pourrait être plus pratique. Deuxièmement, la plage de température : si votre application est exposée à un froid ou à une chaleur extrême, assurez-vous que la Tg du silicone est inférieure à la température de fonctionnement la plus basse et supérieure à la température la plus élevée. De nombreux composants silicones de qualité inférieure ont des valeurs Tg autour de -20°C, ce qui signifie qu'ils deviennent rigides à des températures inférieures et perdent leur capacité d'amortissement. Toutes nos formulations axées sur les vibrations ont des valeurs Tg inférieures à -50°C, elles restent donc flexibles même dans les environnements arctiques ou à haute altitude.
Un autre facteur souvent négligé est l’adhésion. Un amortisseur de vibrations ne fonctionne que s'il est correctement collé aux composants qu'il protège. Si le silicone se sépare du circuit imprimé ou du boîtier, il ne peut pas absorber d'énergie, ce qui entraîne la même défaillance que s'il n'y avait pas d'amortisseur du tout. C'est pourquoi tous nos composants silicones sont formulés avec des promoteurs d'adhérence adaptés aux substrats courants tels que les circuits imprimés FR-4, les boîtiers en aluminium et les boîtiers en plastique. Nous proposons également des directives de traitement de surface pour garantir une bonne adhérence, car même le meilleur matériau ne fonctionnera pas s'il est mal appliqué.
J'ai vu des projets dans lesquels les ingénieurs sont passés à un silicone δ à plus haut bronzage, mais ont quand même eu des défaillances dues aux vibrations car ils n'avaient pas préparé correctement la surface, entraînant un délaminage après quelques mois d'utilisation. C'est une étape simple, mais elle fait une énorme différence dans les performances réelles.
Parlons également de durabilité à long terme, car l’amortissement des vibrations n’est pas une chose ponctuelle. De nombreux matériaux perdent leurs propriétés d'amortissement avec le temps en raison de l'exposition à l'environnement : rayons UV, produits chimiques ou cycles de température. Les composants silicone, en particulier nos qualités spécialement formulées, présentent une excellente résistance à ces facteurs. Par exemple, le composé d'enrobage silicone SO-820 a été testé pendant 10 ans d'exposition en extérieur et conserve toujours 90 % de son bronzage d'origine δ. C'est essentiel pour les applications telles que les panneaux de commande industriels situés dans des endroits éloignés ou les équipements agricoles exposés à la poussière, à l'humidité et aux rayons UV dus à l'exposition au soleil. Un client de l'industrie minière a utilisé notre composé d'enrobage électrique en silicone en deux parties sur des capteurs utilisés dans des équipements de forage, qui fonctionnent à des températures allant de -10°C à 80°C et sont exposés à des vibrations constantes à haute fréquence. Après trois ans sur le terrain, le taux de défaillance de ces capteurs était inférieur à 0,5 %, contre 12 % lorsqu'ils utilisaient un composé d'enrobage en uréthane qui se dégradait à cause de la poussière et de la chaleur.
Maintenant, je veux être transparent sur les composants en silicone qui ne sont peut-être pas le meilleur choix. Si vous avez besoin d'une liaison structurelle rigide ou si vous travaillez dans des applications à très haute température supérieure à 200°C (pour celles-ci, les époxy chargés de céramique ou les alliages métalliques sont meilleurs), le composant silicone pourrait ne pas convenir. Mais pour 90 % des applications soumises à de fortes vibrations (électronique automobile, commandes industrielles, composants aérospatiaux, équipements agricoles et même appareils électroniques grand public comme les smartphones qui tombent régulièrement), c'est l'option la plus fiable et la plus rentable. Le coût initial peut être légèrement plus élevé que celui des époxy ou des adhésifs généraux, mais les économies à long terme résultant de la réduction des réclamations au titre de la garantie, du nombre réduit de pannes sur le terrain et de la durée de vie plus longue des composants en valent la peine.
Si vous travaillez sur un projet où les vibrations constituent un problème, ou si vous cherchez à mettre à niveau votre solution d'amortissement actuelle, je vous encourage à contacter notre équipe. Nous avons aidé des centaines de clients de tous les secteurs à sélectionner le composant silicone adapté à leurs besoins spécifiques en matière de vibrations, de températures et d'applications, et nous pouvons fournir des formulations personnalisées, une assistance aux tests et des conseils techniques pour garantir que vos composants restent fiables même dans les conditions les plus difficiles.
Références
- Landrock, AH (1995).Manuel de technologie des adhésifs(2e éd.). Éditions William Andrew.
- ASTM D4065 – 21, Méthode d'essai standard pour les plastiques : Propriétés mécaniques dynamiques : traction, flexion et impact à des températures supérieures et inférieures à la température ambiante. ASTM International.
- Society of Automotive Engineers (SAE) J1455, Méthode de test standard pour les tests environnementaux des équipements électroniques de transport.
- Silva, MF et coll. (2005). Caractéristiques d'amortissement des vibrations des composites à base de silicone pour les applications automobiles.Tests de polymères, 24(7), 884-890.