小型化背後的科學：充分發揮小型堅固連接器的優勢

來源: Molex 莫仕連接器

電子設備不斷小型化，連接器亦要隨之縮小。傳統材料在製作小型元件時已經達到極限，因此在減輕重量和縮小尺寸的同時，保持強度和其他性能屬性的能力變得至關重要。為了克服這些挑戰並保持性能，連接器小型化的未來發展有賴於材料科學的進步。

創新材料，尤其是先進的工程塑料，如何能夠滿足連接器小型化的設計要求，同時確保具備出色的性能？

1 平衡強度和重量

小型化在連接器設計和製造材料選擇上帶來了顯著挑戰。與大型連接器不同，小型化連接器優先考慮的是減輕重量和縮小尺寸。儘管傳統的連接器外殼材料價格低廉且用途廣泛，但在用於薄壁部分時強度往往大大降低。薄壁部分還可能造成應力高度集中，增加在負載下失效的風險。其他高強度材料（如金屬）可能由於多種原因不適合替代這些傳統工程塑料。需要考慮的因素包括電絕緣要求、形狀尺寸、衝擊/耐久性、重量、成本和/或產品的可製造性要求。

2 物色先進材料

解決方案在於利用專門為小型化設計的先進絕緣材料。高性能聚合物 （HPP）如聚酞胺（PPA）、液晶聚合物（LCP） 和其他特製聚合物，提供高強度和優越的尺寸穩定性，同時保持輕量化特性。這些特性使得 HPP 成為需要小型化連接器的應用（如 V2X、5G、網路和物聯網等）中的理想選擇。

3 添加納米複合材料

先進材料在聚合物基體中加入了納米顆粒，顯著增強剛度和強度，同時僅增加少許重量。納米複合材料在實現小型化連接器所需的堅固性方面展現出巨大潛力，適用於工業自動化和人工智慧解決方案等應用。

通過利用 HPP 和納米複合材料，材料科學家可以解決重量限制問題，確保設計用於緊湊空間的連接器的強度。這些材料還允許在小空間內改善熱管理。然而，隨著這些增強，平衡性能、成本和商業可擴展性的新挑戰也隨之而來。

▲ 圖片來源：《打破設計界限：在連接器設計中把堅固化和小型化相結合》報告

HPP：專為小型化量身定制

縮小連接器尺寸暴露了傳統材料的局限性。當用於小型連接器結構時，由於表面積與體積比過大、成分變化/填料尺寸與連接器結構本身相似，這些材料的大體積特性會產生誤導。雖然這些材料在較大的尺寸形態下性能良好，但在小型化時往往會表現出不足。因此，專門針對強度和耐用性而配方的 HPP 材料在小尺寸條件下變得至關重要。

HPP 結合多種因素應對小型化挑戰。與傳統聚合物材料相比，其熔體粘度更低，因此流動性更強，能夠填充複雜小型連接器幾何形狀所需的複雜模具，同時最大限度地減少變形。傳統聚合物在薄壁截面上的強度會減弱，而 HPP 與之不同，即使在尺寸縮小的情況下也能保持較高的強度重量比。這是通過在 HPP 基體中加入創新填料和化學成分來實現的，從而實現了高尺寸精度和穩定性。

小型化面臨的應用要求

小型化所面臨的挑戰不僅僅是要實現理想的機械強度，專為小型化應用而設計的連接器還必須滿足特定的應用要求。

阻燃性：

小型化連接器可能需要在高火災隱患的環境中工作。HPP 可通過加入特定添加劑來配製阻燃型材料，這些添加劑通過吸收熱量、釋放不可燃氣體或形成保護性炭層來干擾燃燒。

耐化學性

暴露於惡劣化學環境中可能顯著降低連接器的性能。HPP 可根據應用要求配製成抵禦特定化學品的材料。然而，一些耐化學聚合物可能不具備所需的流動性能，或者可能產生脆性。應力會嚴重影響塑膠材料的耐化學性。設計工程師必須仔細考慮這些因素，以確定每種應用中所需的材料和設計特性的正確組合。

高品質

即使是最小的雜質（如微量金屬污染物或無用副產品），也會對聚合物產生重大影響，增加出現裂紋或過早失效的可能性。HPP 配方優先採用高品質的原材料和嚴格的加工技術，以確保一致的性能和可靠性。

為了達到最佳性能，需要仔細平衡。複雜的小型連接器幾何形狀以及阻燃性和耐化學性等嚴格要求對現有材料提出了持續挑戰。材料科學家不斷開發和改進 HPP 配方，以滿足這些複雜多變的要求。

▲ 圖片來源：《打破設計界限：在連接器設計中把堅固化和小型化相結合》報告, Molex DuraClik 連接器

新技術參與原型設計與開發

1 使用 3D 列印技術進行原型設計和開發

3D 列印為快速製作原型部件提供了激動人心的可能性。在開發階段，3D 列印以速度快、成本低的優勢為工程師提供了快速反覆運算的能力。這使得在最終確定高性能材料和昂貴的製造工藝之前，可以快速評估形狀和適配性。

然而，3D 列印技術在用於原型製作以外的應用中存在很大的局限性。目前 3D 列印技術的尺寸解析度不足以製造用於最終生產的高度小型化部件。由於公差僅為微米級，3D 列印工藝和相關材料目前無法實現最佳的機械性能和電氣功能。然而，如果高解析度列印技術不斷進步，3D 列印可能在未來成為一個有價值的原型設計工具，也可能成為製造功能性產品部件的可行手段。

2 利用人工智慧和機器學習優化設計

人工智慧（AI）和機器學習（ML）在材料選擇和連接器設計與製造方面具有很大的潛力。這些技術可以分析資料、發現跨學科見解、實現流程自動化、提供即時監控、預測結果並提高決策能力，從而促進高性能連接器的快速開發。

3 利用數位孿生完善原型設計

數位孿生（Digital twins）可創建物理連接器的虛擬複製品，並實現關鍵資料的收集。工程師可以不斷將實際測試資料或感測器讀數回饋到數位孿生中，建立即時反饋回路，為未來的設計反覆運算提供資訊。這種虛擬試驗場可加快開發週期、優化性能並提高小型連接器的可靠性。

材料選擇和未來趨勢

瞭解結構—性能關係對於選擇最佳材料至關重要。這些知識使工程師能夠識別出在強度、重量、功能性和耐用性之間取得平衡的材料。

使用新型塑膠替代金屬，有望實現連接器的輕量化。傳統塑膠往往缺乏金屬的導電性、強度和耐用性。將石墨烯和碳納米管（CNT） 等新型材料結合到塑膠中，可提供優越的強度—重量比，從而實現創新的外形尺寸，並擴大替代金屬的機會。材料科學的進步，仍然是開發占板面積日益減小的堅固連接器的關鍵。

可持續性考慮因素

材料選擇在探索變革性解決方案提供了重要機會，説明公司實現環境管理目標。隨著客戶日益尋求有助於滿足環境需求的解決方案，小型連接器製造正在採用創新方法，通過使用更少的資源來減少對環境的影響。

生物塑膠為可持續材料的選擇提供了前景廣闊的道路。這些材料使用玉米澱粉、纖維素和蓖麻油等可再生生物原料，可替代塑膠生產中使用的傳統不可再生原料。

機械和化學回收技術可以對現有塑膠進行再利用，從而節約原始資源並最大限度地減少對環境的影響。

合作與監測貫穿於整個小型連接器設計和製造生命週期，相關人員積極監測和探索可持續材料和技術的發展。此外，地區法規在推動可再生材料的採用方面發揮著重要作用。對可再生材料作出全面的考慮，利益相關者可以做出明智的決策，在連接器性能與環境影響之間取得平衡。

Molex：走在小型化的前沿

材料科學是實現堅固耐用的小型連接器的基石。作為高性能連接解決方案的領導者，Molex 莫仕專注于開發材料和材料加工創新、材料選擇/應用工程，以及實現最佳產品數位孿生所需的材料測試和資料。如要瞭解塑造未來連接器的先進技術，請下載 Molex 的《打破設計界限：在連接器設計中把堅固化和小型化相結合》報告。

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