小型化背后的科学：充分发挥小型坚固连接器的优势

Molex莫仕全球技术主管Zhou Hao

主旨：

连接器的小型化对于满足客户对其电子设备日益增长的功率和功能的期望至关重要，但尺寸缩减绝不能以牺牲产品的耐用性为代价。材料科学是开发坚固耐用小型连接器的关键因素，即使在最具挑战性的环境中也能经久耐用。

简介

电子设备不断小型化，连接器亦要随之缩小。传统材料在制作小小型组件时已经达到极限，因此在减轻重量和缩小尺寸的同时，保持强度和其他性能属性的能力变得至关重要。为了克服这些挑战并保持性能，连接器小小型化的未来发展有赖于材料科学的进步。

创新材料，尤其是先进的工程塑料，如何能够满足连接器小型化的设计要求，同时确保具备出色的性能？

平衡强度和重量

小型化在连接器设计和制造材料选择上带来了显著挑战。与大型连接器不同，小型化连接器优先考虑的是减轻重量和缩小尺寸。尽管传统的连接器外壳材料价格低廉且用途广泛，但在用于薄壁部分时强度往往大大降低。薄壁部分还可能造成应力高度集中，增加在负载下失效的风险。其他高强度材料（如金属）可能由于多种原因不适合替代这些传统工程塑料。需要考虑的因素包括电绝缘要求、形状尺寸、冲击/耐久性、重量、成本和/或产品的可制造性要求。

物色先进材料

解决方案在于利用专门为小型化设计的先进绝缘材料。高性能聚合物 (HPP)如聚酞胺 (PPA)、液晶聚合物 (LCP) 和其他特制聚合物，提供高强度和优越的尺寸稳定性，同时保持轻量化特性。这些特性使得HPP成为需要小型化连接器的应用（如V2X、5G、网络和物联网等）中的理想选择。

添加纳米复合材料

先进材料在聚合物基体中加入了纳米颗粒，显著增强刚度和强度，同时仅增加少许重量。纳米复合材料在实现小型化连接器所需的坚固性方面展现出巨大潜力，适用于工业自动化和人工智能解决方案等应用。

通过利用 HPP 和纳米复合材料，材料科学家可以解决重量限制问题，确保设计用于紧凑空间的连接器的强度。这些材料还允许在小空间内改善热管理。然而，随着这些增强，平衡性能、成本和商业可扩展性的新挑战也随之而来。

应对小型化挑战

缩小连接器尺寸暴露了传统材料的局限性。当用于小型连接器结构时，由于表面积与体积比过大、成分变化/填料尺寸与连接器结构本身相似，这些材料的大体积特性会产生误导。虽然这些材料在较大的尺寸形态下性能良好，但在小型化时往往会表现出不足。因此，专门针对强度和耐用性而配方的 HPP 材料在小尺寸条件下变得至关重要。

HPP：专为小型化量身定制

HPP结合多种因素应对小型化挑战。与传统聚合物材料相比，其熔体粘度更低，因此流动性更强，能够填充复杂小型连接器几何形状所需的复杂模具，同时最大限度地减少变形。传统聚合物在薄壁截面上的强度会减弱，而 HPP与之不同，即使在尺寸缩小的情况下也能保持较高的强度重量比。这是通过在 HPP 基体中加入创新填料和化学成分来实现的，从而实现了高尺寸精度和稳定性。

超越强度

小型化所面临的挑战不仅仅是要实现理想的机械强度，专为小型化应用而设计的连接器还必须满足特定的应用要求。

阻燃性：小型化连接器可能需要在高火灾隐患的环境中工作。HPP可通过加入特定添加剂来配制阻燃型材料，这些添加剂通过吸收热量、释放不可燃气体或形成保护性炭层来干扰燃烧。

耐化学性：暴露于恶劣化学环境中可能显著降低连接器的性能。HPP可根据应用要求配制成抵御特定化学品的材料。然而，一些耐化学聚合物可能不具备所需的流动性能，或者可能产生脆性。应力会严重影响塑料材料的耐化学性。设计工程师必须仔细考虑这些因素，以确定每种应用中所需的材料和设计特性的正确组合。

高质量：即使是最小的杂质（如微量金属污染物或无用副产品），也会对聚合物产生重大影响，增加出现裂纹或过早失效的可能性。HPP 配方优先采用高质量的原材料和严格的加工技术，以确保一致的性能和可靠性。

为了达到最佳性能，需要仔细平衡。复杂的小型连接器几何形状以及阻燃性和耐化学性等严格要求对现有材料提出了持续挑战。材料科学家不断开发和改进HPP配方，以满足这些复杂多变的要求。

使用3D打印技术进行原型设计和开发

3D打印为快速制作原型部件提供了激动人心的可能性。在开发阶段，3D打印以速度快、成本低的优势为工程师提供了快速迭代的能力。这使得在最终确定高性能材料和昂贵的制造工艺之前，可以快速评估形状和适配性。
然而，3D打印技术在用于原型制作以外的应用中存在很大的局限性。目前 3D 打印技术的尺寸分辨率不足以制造用于最终生产的高度小型化部件。由于公差仅为微米级，3D 打印工艺和相关材料目前无法实现最佳的机械性能和电气功能。然而，如果高分辨率打印技术不断进步，3D打印可能在未来成为一个有价值的原型设计工具，也可能成为制造功能性产品部件的可行手段。

材料选择和未来趋势

了解结构—性能关系对于选择最佳材料至关重要。这些知识使工程师能够识别出在强度、重量、功能性和耐用性之间取得平衡的材料。

新型金属替代材料

使用先进塑料替代金属，有望实现连接器的轻量化。然而，传统塑料往往缺乏金属的导电性、强度和耐用性。将石墨烯和碳纳米管 (CNT) 等新型材料结合到塑料中，可提供优越的强度—重量比，从而实现创新的外形尺寸，并扩大替代金属的机会。

利用人工智能和机器学习优化设计

人工智能（AI）和机器学习（ML）在材料选择和连接器设计与制造方面具有很大的潜力。这些技术可以分析数据、发现跨学科见解、实现流程自动化、提供实时监控、预测结果并提高决策能力，从而促进高性能连接器的快速开发。

利用数字孪生完善原型设计

数字孪生(Digital twins)可创建物理连接器的虚拟复制品，并实现关键数据的收集。工程师可以不断将实际测试数据或传感器读数反馈到数字孪生中，建立实时反馈回路，为未来的设计迭代提供信息。这种虚拟试验场可加快开发周期、优化性能并提高小型连接器的可靠性。

材料科学的进步，仍然是开发占板面积日益减小的坚固连接器的关键。

可持续性考虑因素

材料选择在探索变革性解决方案提供了重要机会，帮助公司实现环境管理目标。随着客户日益寻求有助于满足环境需求的解决方案，小型连接器制造正在采用创新方法，通过使用更少的资源来减少对环境的影响。

生物基原料和回收材料

生物塑料为可持续材料的选择提供了前景广阔的道路。这些材料使用玉米淀粉、纤维素和蓖麻油等可再生生物原料，可替代塑料生产中使用的传统不可再生原料。此外，机械和化学回收技术可以对现有塑料进行再利用，从而节约原始资源并最大限度地减少对环境的影响。

合作与监测

参与整个小型连接器设计和制造生命周期的人员最好积极监测和探索可持续材料和技术的发展。此外，地区法规在推动可再生材料的采用方面发挥着重要作用。
对可再生材料作出全面的考虑，利益相关者可以做出明智的决策，在连接器性能与环境影响之间取得平衡。

Molex莫仕：走在小型化的前沿

材料科学是实现坚固耐用的小型连接器的基石。作为高性能连接解决方案的领导者，Molex莫仕专注于开发材料和材料加工创新、材料选择/应用工程，以及实现最佳产品数字孪生所需的材料测试和数据。如要了解塑造未来连接器的先进技术，请下载我们的“坚固耐用的小型化报告”，网址为：https://www.molex.com/zh-cn/trends-insights/miniaturization/rugged-miniaturized-connectors-report。