如何提高连接器的可持续性？

在可持续发展成为时尚之前，连接器制造商一直走在可持续发展的前沿。他们首先更换镀镉层以满足 RoHS 要求，很快扩展到使用塑料再生料和生物基塑料代替 100% 全新塑料来制造连接器主体。连接器制造商最近开始采用新的、更具可持续性的材料来制造高性能触点。

本文从外到内研究可持续连接器，首先回顾连接器的可持续电镀，然后研究如何提高连接器主体和外壳的可持续性，最后回顾与更具可持续性和性能更高的接触材料相关的发展。

连接器的可持续电镀

2003 年首次颁布的 RoHS 法规激发了整个电子行业对可持续性的关注。虽然大多数注意力都集中在从焊料中去除铅，但连接器行业还面临着其他挑战，尤其是消除镉和铬镀层。镉是一种流行的镀层，适用于军事、航空航天、运输和工业应用，这些应用需要耐腐蚀性并在所有天气条件下保证性能。

新的金属连接器主体采用铝制成，表面镀有各种保护层。这些设计可以提供多种耐腐蚀、电磁干扰 (EMI) 屏蔽和外观选择（包括哑光颜色）的组合。常用的镉替代品包括：

• 锡锌镀层是为极端环境下的军事应用而开发的。它被认为是性能最高的镉替代品。它具有高导电性（< 5 mΩ）和耐腐蚀性（500 小时静态/5 天循环盐雾）。它具有哑光灰色、无反射表面，并提供镉级保护。

• 锌镍镀层是适用于工业、建筑和运输应用的高性能解决方案。它提供高水平的 EMI 屏蔽，额定静态盐雾时间为 500 小时。

• 锌钴镀层也用于工业、建筑和运输行业，但其耐腐蚀性不如锌镍镀层。它提供了良好的 EMI 屏蔽，确保了信号完整性。

• 黑锌镍是一种经济实惠的替代品，可为暴露的连接器表面提供持久的耐腐蚀性。它用于航空航天、地面运输和海洋应用。它提供与镉相同水平的环境保护、工作温度范围和电气性能。

• 环氧聚氨酯清漆镀层具有极高的耐腐蚀性，是专门为铁路应用而开发的。它不提供高水平的 EMI 保护，通常不用于信号完整性是重要考虑因素的地方。

PCR 和 PIR 再生料

回收材料和生物塑料是提高连接器主体和其他连接器组件可持续性的两种方法。回收材料有两种方法：

1. 消费后再研磨(PCR) 塑料是从回收厂收集的塑料材料（如瓶子），经过清洁、加工和研磨后重新加入制造流程。连接器制造商通常不使用 PRC 塑料。

   
   

2. 工业后研磨(PIR) 塑料是从制造过程中回收的。PIR 塑料包括制造过程中产生的毛边和其他废塑料以及不符合规格的成品零件。一些连接器制造商使用 40% 的研磨材料来制造各种组件，例如塑料外壳（图 1）。使用 PIR 塑料有助于实现可持续发展，这体现在两个方面：它减少了原材料的使用和与生产该材料相关的环境问题，并减少了制造过程中的浪费。

生物塑料

生物塑料不一定是可生物降解的，也不一定使用可再生有机资源制成。它们的定义有三种：

1. 由从植物或动物等可再生生物资源中获得的有机大分子制成，可能可生物降解，也可能不可生物降解

2. 由石油资源制成，完全可生物降解

3. 由有机大分子和石油资源组合而成，可能可生物降解，也可能不可生物降解

生物聚酰胺

生物基聚酰胺 410 塑料现已上市，采用至少 70% 的蓖麻籽可再生材料制成。这种材料结合了短链和长链聚酰胺的性能优势。与传统的聚酰胺 66（PA66，也称为尼龙 66）相比，这种生物基替代品具有出色的机械性能和防潮性，同时具有良好的美观性。生物基聚酰胺 EcoPaXX 用于符合 USCAR 050 标准的密封和非密封连接器系统（图 2）。

专为连接器应用而开发的 100% 生物基高温聚酰胺符合国际可持续性和碳认证 (ISCC) 的要求。ISCC 是一种全球适用的可持续性认证体系，涵盖所有可持续原料，包括农业和林业生物质、循环和生物基材料以及可再生能源。该材料是 ISCC+ 认证的质量平衡解决方案，具有与传统材料相同的特性、性能和质量。其生产产生的碳足迹比相应的化石基塑料低 50%。

这种 100% 生物基高温聚酰胺专为针脚数多、间距小于 0.3 毫米、壁厚低至 0.1 毫米的微型连接器而设计。其热规格使其适合无铅焊接工艺，并且它是一种 30% 玻璃纤维增强材料，旨在提供高水平的强度和延展性。

增长空间

虽然连接器行业已经使用生物塑料好几年了，但采用过程仍处于相对早期阶段。总体而言，生物塑料产量仅占全球每年超过 3.5 亿吨塑料消费量的 1%。生物基塑料目前最大的应用是包装，占市场份额的 50% 以上。各种生物塑料的使用正在激增。例如，预计未来几年生物聚丙烯的使用量将增长 6 倍。如今，连接器等多种电子应用仅占生物塑料使用量的 2% 左右（图 3）。生物塑料（和 PIR 塑料）有足够的增长空间来提高连接器的可持续性。

纳米晶金属触点

在连接器中使用纳米晶镍合金可以大幅减少黄金的使用。开采和提炼黄金对环境有显著的负面影响，可以使用生命周期评估 (LCA) 来计算。黄金的 LCA 影响相当于每开采一金衡盎司黄金产生 800 千克二氧化碳。镍的 LCA 影响为 0.4 千克二氧化碳/金衡盎司，而纳米晶镍合金的 LCA 影响为 0.2 千克二氧化碳/金衡盎司。纳米晶镍合金的低 LCA 影响是由两个因素造成的：它可以用于更薄的镀层以实现相同的性能水平，并且其制造使用 100% 回收的钨。

一家连接器制造商已将其部分高可靠性连接器生产线上的金触点替换为纳米晶体金属触点。纳米结构金属涂层很容易集成到连接器制造中，因为它们是通过传统的互连电沉积工艺沉积而成的。用纳米晶体金属代替金减少了所用材料（尤其是金）对环境的影响，相当于每年平均节省 780 万公斤二氧化碳。

纳米结构银

纳米结构银已被开发用于电动汽车 (EV) 应用中的高性能、高功率连接器。EV 应用包括需要低、稳定接触电阻和高耐用性的充电器连接器，以及需要更高温度等级的 EV 传动系统和电源系统中的高压连接器。在耐用性方面，纳米结构银材料的硬度约为纯银的两倍。在 5N 配合力的 EV 连接器上对其进行了 5000 次磨损耐久性测试，在 5 μm 厚度下几乎没有磨损。尽管厚度是 4 倍，但传统的镀银会出现深度咬合磨损并暴露铜基材。纳米结构银的主要性能规格包括（图 4）。

• 220°C 操作

• 低插入力

• 更薄的成本可提高耐磨性

与生物塑料一样，纳米结构镍合金和纳米结构银的应用还处于早期阶段。有很多机会可以增加它们的使用，并进一步提高连接器的可持续性。

文章转载自微信公众号：汽车研究院auto