חומרים מרוכבים לעתיד בטוח
הפרעות אלקטרומגנטיות יהפכו בעתיד לאחת הבעיות העיקריות של תעשיית האלקטרוניקה. הפתרון טמון בשכבות הגנה עשויות חומרים מרוכבים
הגנה לישראל
| 19/05/2011
ההתקדמות הטכנולוגית המתרחשת בכל ענפי התעשייה בשנים האחרונות, לרבות בענפים אזרחיים וצבאיים, מלווה בשימוש הולך וגובר במכשירים אלקטרוניים. חיבורים אלחוטיים ותמסורת חשמלית גדולה יותר, הבהירו עד כמה הטכנולוגיה האלקטרונית הפכה לעדינה ופגיעה להפרעות אלקטרומגנטיות, הגורמות לעתים קרובות לתקלה שעלולה להוביל לתאונות, לאובדן של מיכון ומכשירים, ובחלק מהמקרים אף לאובדן חיי אדם.
הצורך בהגנה אלקטרומגנטית
אם עד לפני מספר שנים סיפק "כלוב פאראדיי" (Faraday cage) הגנה בטוחה בעת שימוש בציוד מתכתי, הרי שהשימוש המוגבר בחומרים מרוכבים במטרה להקל על מבנים, גרם לאלקטרוניקה להיות נעדרת סוג זה של הגנה. מציאות זו הביאה לשיתוף פעולה בין חברות המתמחות בהגנה אלקטרומגנטית, כמו EMI וRFI וחברות המפתחות חומרים מרוכבים, שהוליד סדרה חדשה של מוצרים קלים עם מאפייני הולכה הגנתיים.
אחת הדוגמאות לתוצר מסוג זה היא סדרה של חומרים מוספגים (pre impregnated) מעובדים למחצה, שפיתחה חברת למיפלקס. חומרים אלו משמשים במגוון יישומים וביניהם פתרונות טקסטיל מתכתיים העשויים מסוגים שונים של מתכות כמו ניקל, אבץ, זהב וכסף, בהתאם לרמות ההולכה החשמלית הנדרשת, העמידות לשיתוך, והצורך בתאימות עם אינטראקציה אנושית מבלי לגרום לסיכונים בריאותיים כמו במקרה של אבץ.
כמו כן, פותחו סוגי חיזוקים היכולים לספק בחירה מגוונת בהתאם לסוג יישום ספציפי. כתוצאה מכך, ניתן להפיק חומרים מוספגים מפוליאסטר בעל גרעיניות נמוכה כדי ליצור שכבות של מיגון מוליך בשילוב עם מבנים מרוכבים קיימים. לחומרים אלו השפעה מינימאלית על המשקל מצד אחד, אולם מצד שני הם שומרים על מדידת אות נמוכה בין 40 ל 70dB לכל שכבה, בהתאם לתדר. בצורה כזו ניתן לייצר חומרים מוכנים מראש עם חיזוקים של פחמן מתכתי, לשם בנייה של חלקים בעלי דרישות הכרחיות בהיבטים של מכניקה ומיגון אלקטרומגנטי.
טקסטיל וחומרים מרוכבים
סדרת פראדיי של חברת למיפלקס מספקת חומרים מוספגים עם כל המאפיינים שצוינו לעיל בשילוב של פוליאסטר מחוזק, זכוכית, נומקס, פחמן ואפוקסי, עם טווח גדול של טמפרטורות לפולימריזציה (מ-120 ועד 180 מעלות צלזיוס). שיטה זו נועדה לספק מגוון רחב של יישומים העולים בקנה אחד עם רוב השרפים המאושרים מבחינה אווירונאוטית. הבחירה בחלקים מוספגים מסוג זה משלבת את יכולת הכיסוי של החומר, עם יכולת ההולכה שלו והופכת צורות מורכבות לאפשריות. בנוסף, חלקים אלו מציעים דרגה גבוהה של מיגון.
יחד עם זאת, חשוב לדעת איך להתמודד עם בדים אלו. למעשה, שימוש שגוי עלול לגרום לבעיות של הולכה עקב שרף עודף, לא צפוי ולא בדוק, שיכול להביא להיווצרות שכבה מבודדת שתעכב את המגעים החשמליים הנחוצים לסגירת המעגלים. בדים מסוג זה משמשים בעיקר כציפוי מגן לכבלים וכפנלים ממוגנים למכולות של ציוד אלקטרוני.
דוגמה מעשית, המציגה את האיחוד של גמישות הטקסטיל עם הטכנולוגיה של חומרים מרוכבים, נוגעת ביצירה של צינורות קלים במיוחד, קשיחים וגמישים. צינורות אלו משמשים את מגזר המסוקים, המציג צורך גדל בהקטנה של המשקל יחד עם אוויוניקה מורכבת ופגיעה יותר בהעדר מבנים מתכתיים הגנתיים. מלבד ייצור של חומרים מעובדים למחצה, כמו חלקים ספוגים מראש, חברת למיפלקס מייצרת גם חלקים מוגמרים או מוצרי מיגון מוליכים מחומרים מרוכבים שכבר בשימוש, על ידי עיצוב שכבות מוליכות עם מחזור מתאים באוטוקלב או בתנור, המאפשר למוצרים להכיל מאפייני מיגון ללא הצורך בבנייה מחדש של כל החלק.
תקני EMC
בשל המורכבות של המערכות והדיוק בדרישות של מוצרים צבאיים ותאימות אלקטרומגנטית מחמירה, כל המוצרים הצבאיים מחויבים לעמוד בתקני EMC. מיגון אלקטרומגנטי באמצעות חומרים מוספגים משיג תאימות נדרשת זו של חומרים מרוכבים הנמצאים בשימוש נרחב בציוד תקשורת צבאי, מודולים אלקטרוניים, ארונות מיגון, מכ"מי לוויין ומסופים צבאיים ביבשה, באוויר ובים. בנוסף, מסייעים חומרים מרוכבים אלו להגן על מכשור תעופתי מתקדם בשווי מיליוני דולרים.
בדומה למוצרים צבאיים, גם בתחום התקשורת מיישמים סטנדרטים ונהלים של תאימות אלקטרומגנטית עבור רשתות מורכבות. החשיבות באה לידי ביטוי בעיקר במוצרים עם עיבוד אותות דיגיטאלי מהיר כמו ציוד רחב פס מבוסס גלי מיקרו, הרגיש במיוחד להפרעות אלקטרומגנטיות. באמצעות שילוב של חומרי מגן מורכבים במוצרים אלו, ניתן לזכות בתאימות אלקטרומגנטית נדרשת בסביבות מגוונות, בהתאם לשימוש הנעשה בציוד.
חומרים מרוכבים מסוג זה עשויים למצוא את דרכם גם ליישומים, שבהם יש צורך לחימום מקומי באמצעות אפקט הג'אול (חימום, הסרת קרח וכדומה), וכן למגזרים שעשויים להיות רגישים יותר לעלויות מבחינה טכנית, כמו מגזר הבנייה והמגזר האזרחי.
אם נחשוב על כמות המכשירים האלקטרונים ביתיים והמכשירים האלחוטיים למיניהם, ניתן להבין כי צפויה עלייה בהפרעות אלקטרומגנטיות בסביבה השגרתית של כל אחד מאיתנו, בעקבות השימוש ההולך וגדל במספר הכלים שלא ניתן לוותר עליהם, כמו מכשירים סלולאריים, התקני GPS וציוד רשת אלחוטית. אין ספק, כי התמודדות עם הפרעות אלקטרומגנטיות תכופות היא חלק בלתי נפרד מהתפתחות הטכנולוגיה, ונראה כי נצטרך להתמודד עם בעיה זו כבר בעתיד הקרוב.
הכותב הוא מנהל פרוייקטים ליישומי חומרים מרוכבים בחברת Lamiflex Spa, איטליה.
ההתקדמות הטכנולוגית המתרחשת בכל ענפי התעשייה בשנים האחרונות, לרבות בענפים אזרחיים וצבאיים, מלווה בשימוש הולך וגובר במכשירים אלקטרוניים. חיבורים אלחוטיים ותמסורת חשמלית גדולה יותר, הבהירו עד כמה הטכנולוגיה האלקטרונית הפכה לעדינה ופגיעה להפרעות אלקטרומגנטיות, הגורמות לעתים קרובות לתקלה שעלולה להוביל לתאונות, לאובדן של מיכון ומכשירים, ובחלק מהמקרים אף לאובדן חיי אדם.
הצורך בהגנה אלקטרומגנטית
אם עד לפני מספר שנים סיפק "כלוב פאראדיי" (Faraday cage) הגנה בטוחה בעת שימוש בציוד מתכתי, הרי שהשימוש המוגבר בחומרים מרוכבים במטרה להקל על מבנים, גרם לאלקטרוניקה להיות נעדרת סוג זה של הגנה. מציאות זו הביאה לשיתוף פעולה בין חברות המתמחות בהגנה אלקטרומגנטית, כמו EMI וRFI וחברות המפתחות חומרים מרוכבים, שהוליד סדרה חדשה של מוצרים קלים עם מאפייני הולכה הגנתיים.
אחת הדוגמאות לתוצר מסוג זה היא סדרה של חומרים מוספגים (pre impregnated) מעובדים למחצה, שפיתחה חברת למיפלקס. חומרים אלו משמשים במגוון יישומים וביניהם פתרונות טקסטיל מתכתיים העשויים מסוגים שונים של מתכות כמו ניקל, אבץ, זהב וכסף, בהתאם לרמות ההולכה החשמלית הנדרשת, העמידות לשיתוך, והצורך בתאימות עם אינטראקציה אנושית מבלי לגרום לסיכונים בריאותיים כמו במקרה של אבץ.
כמו כן, פותחו סוגי חיזוקים היכולים לספק בחירה מגוונת בהתאם לסוג יישום ספציפי. כתוצאה מכך, ניתן להפיק חומרים מוספגים מפוליאסטר בעל גרעיניות נמוכה כדי ליצור שכבות של מיגון מוליך בשילוב עם מבנים מרוכבים קיימים. לחומרים אלו השפעה מינימאלית על המשקל מצד אחד, אולם מצד שני הם שומרים על מדידת אות נמוכה בין 40 ל 70dB לכל שכבה, בהתאם לתדר. בצורה כזו ניתן לייצר חומרים מוכנים מראש עם חיזוקים של פחמן מתכתי, לשם בנייה של חלקים בעלי דרישות הכרחיות בהיבטים של מכניקה ומיגון אלקטרומגנטי.
טקסטיל וחומרים מרוכבים
סדרת פראדיי של חברת למיפלקס מספקת חומרים מוספגים עם כל המאפיינים שצוינו לעיל בשילוב של פוליאסטר מחוזק, זכוכית, נומקס, פחמן ואפוקסי, עם טווח גדול של טמפרטורות לפולימריזציה (מ-120 ועד 180 מעלות צלזיוס). שיטה זו נועדה לספק מגוון רחב של יישומים העולים בקנה אחד עם רוב השרפים המאושרים מבחינה אווירונאוטית. הבחירה בחלקים מוספגים מסוג זה משלבת את יכולת הכיסוי של החומר, עם יכולת ההולכה שלו והופכת צורות מורכבות לאפשריות. בנוסף, חלקים אלו מציעים דרגה גבוהה של מיגון.
יחד עם זאת, חשוב לדעת איך להתמודד עם בדים אלו. למעשה, שימוש שגוי עלול לגרום לבעיות של הולכה עקב שרף עודף, לא צפוי ולא בדוק, שיכול להביא להיווצרות שכבה מבודדת שתעכב את המגעים החשמליים הנחוצים לסגירת המעגלים. בדים מסוג זה משמשים בעיקר כציפוי מגן לכבלים וכפנלים ממוגנים למכולות של ציוד אלקטרוני.
דוגמה מעשית, המציגה את האיחוד של גמישות הטקסטיל עם הטכנולוגיה של חומרים מרוכבים, נוגעת ביצירה של צינורות קלים במיוחד, קשיחים וגמישים. צינורות אלו משמשים את מגזר המסוקים, המציג צורך גדל בהקטנה של המשקל יחד עם אוויוניקה מורכבת ופגיעה יותר בהעדר מבנים מתכתיים הגנתיים. מלבד ייצור של חומרים מעובדים למחצה, כמו חלקים ספוגים מראש, חברת למיפלקס מייצרת גם חלקים מוגמרים או מוצרי מיגון מוליכים מחומרים מרוכבים שכבר בשימוש, על ידי עיצוב שכבות מוליכות עם מחזור מתאים באוטוקלב או בתנור, המאפשר למוצרים להכיל מאפייני מיגון ללא הצורך בבנייה מחדש של כל החלק.
תקני EMC
בשל המורכבות של המערכות והדיוק בדרישות של מוצרים צבאיים ותאימות אלקטרומגנטית מחמירה, כל המוצרים הצבאיים מחויבים לעמוד בתקני EMC. מיגון אלקטרומגנטי באמצעות חומרים מוספגים משיג תאימות נדרשת זו של חומרים מרוכבים הנמצאים בשימוש נרחב בציוד תקשורת צבאי, מודולים אלקטרוניים, ארונות מיגון, מכ"מי לוויין ומסופים צבאיים ביבשה, באוויר ובים. בנוסף, מסייעים חומרים מרוכבים אלו להגן על מכשור תעופתי מתקדם בשווי מיליוני דולרים.
בדומה למוצרים צבאיים, גם בתחום התקשורת מיישמים סטנדרטים ונהלים של תאימות אלקטרומגנטית עבור רשתות מורכבות. החשיבות באה לידי ביטוי בעיקר במוצרים עם עיבוד אותות דיגיטאלי מהיר כמו ציוד רחב פס מבוסס גלי מיקרו, הרגיש במיוחד להפרעות אלקטרומגנטיות. באמצעות שילוב של חומרי מגן מורכבים במוצרים אלו, ניתן לזכות בתאימות אלקטרומגנטית נדרשת בסביבות מגוונות, בהתאם לשימוש הנעשה בציוד.
חומרים מרוכבים מסוג זה עשויים למצוא את דרכם גם ליישומים, שבהם יש צורך לחימום מקומי באמצעות אפקט הג'אול (חימום, הסרת קרח וכדומה), וכן למגזרים שעשויים להיות רגישים יותר לעלויות מבחינה טכנית, כמו מגזר הבנייה והמגזר האזרחי.
אם נחשוב על כמות המכשירים האלקטרונים ביתיים והמכשירים האלחוטיים למיניהם, ניתן להבין כי צפויה עלייה בהפרעות אלקטרומגנטיות בסביבה השגרתית של כל אחד מאיתנו, בעקבות השימוש ההולך וגדל במספר הכלים שלא ניתן לוותר עליהם, כמו מכשירים סלולאריים, התקני GPS וציוד רשת אלחוטית. אין ספק, כי התמודדות עם הפרעות אלקטרומגנטיות תכופות היא חלק בלתי נפרד מהתפתחות הטכנולוגיה, ונראה כי נצטרך להתמודד עם בעיה זו כבר בעתיד הקרוב.
הכותב הוא מנהל פרוייקטים ליישומי חומרים מרוכבים בחברת Lamiflex Spa, איטליה.
