البوليمرات المقاومة للحرارة: أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد

مقدمة

تعد البوليمرات المقاومة للحرارة ركيزة الهندسة والإلكترونيات الحديثة. كانت أغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد أفضل صديق للعلماء والمهندسين لعقود من الزمن. تتميز هذه الأفلام بمرونتها العالية ومقاومتها العالية للحرارة وخفة وزنها. سنحاول فهم ماهية هذه الأفلام وكيف تحمي الإلكترونيات.

ما هي أغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد

تُصنع أغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت من بوليمر شائع لدن بالحرارة. وهي تستخدم في التغليف وحتى في شاشات العرض المرنة. يمكن أن تتحمل أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت البولي إيثيلين درجات حرارة معتدلة وتمتلك خصائص ميكانيكية جيدة. وتتمتع بتوازن قوة الشفافية.

تتميزأفلام البولي إيميد نفسها بثبات حراري ممتاز. يتم استخدام أفلام البولي إيميد حيث تكون درجة الحرارة أكبر من 400 درجة مئوية. وعادةً ما تكون أغشية البوليميد عبارة عن دوائر مطبوعة مرنة أو عازلة على المكونات الحساسة في المركبات الفضائية. ويمنحها تركيبها الجزيئي مقاومة استثنائية للحرارة والمواد الكيميائية.

وكلا هاتين المادتين الغشائيتين موجودتان منذ عقود. وكان تاريخهما تاريخًا من الابتكار المستمر. ويكمن الاختلاف في خصائصهما في اختلاف تركيبتهما الجزيئية. ببساطة، يتكون البولي إيثيلين تيريفثاليت من روابط استر متكررة، بينما يتكون البولي إيميد من حلقات إيميد فريدة من نوعها تخلق روابط أقوى، مما يجعلها تتمتع بأداء حراري فائق. يحظى كلا البوليمرين بتقدير كبير من قبل المهندسين بسبب المزايا الفريدة التي يمتلكها كل منهما.

كيف تحمي أغشية البولي إيميد والبولي إيثيلين تيريفثالات الإلكترونيات

تولد الأجهزة الإلكترونية حرارة أثناء التشغيل، وحتى الحد الأدنى من زيادة درجة الحرارة يؤثر على الأداء. تُعد أغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت البولي إيثيلين طبقات عازلة تعمل على نشر الحرارة وتقليل ارتفاعها. في التطبيقات الباردة، تعمل الأغشية على إبعاد الدوائر القصيرة وحماية الأسلاك الحساسة.

تستخدم أغشية البولي إيميد حيث تكون البيئة أكثر عدوانية. وتستخدم كدروع واقية من الحرارة. تعزل أغشية البوليميد كهربائياً وحرارياً في الإلكترونيات المرنة. تتميز أفلام البوليميد بنقطة انصهار عالية وبالتالي يمكنها تحمل الظروف القاسية. هذا النوع من الحماية مطلوب في منتجات مثل المعدات عالية الأداء وحتى في مجال الطيران، حيث قد يؤدي أي عطل إلى نتائج مكلفة أو خطيرة.

إن دور هذه الأغشية واضح. فهي تعزل المكونات عن الحرارة ولكنها تسمح بالتدفق الكافي للإشارات. كما أنها تحمي من التلامس الكيميائي والمائي. إن تركيب هذه الخصائص يجعلها شائعة الاستخدام في مجموعة متنوعة من الصناعات.

تجربة STEM: العزل الحراري والكهربائي لأغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد

إحدى أفضل الطرق لفهم هذه البوليمرات هي من خلال التجربة. من خلال إجراء اختبارات المقاومة الحرارية والعزل الكهربائي والقوة الميكانيكية، يمكنك معرفة كيفية تفاعل كل فيلم تحت الضغط. تمكنك هذه الاختبارات من التعلم بالممارسة والمقارنة بين المادتين.

الفيزياء والهندسة

- اختبار المقاومة الحرارية:

ضع عينة من كل فيلم عبر مصدر حراري مثل مصباح أو لوح تسخين. قم بقياس درجة حرارة السطح باستخدام الترمومتر مقابل الزمن. ستسجل أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت زيادة في درجة الحرارة في وقت أقرب. ستكون أفلام البوليميد في درجات حرارة أقل لأن التركيب الجزيئي يمنع انتقال الحرارة. راقب تغيرات درجة الحرارة على فترات منتظمة. الاختبار هو محاكاة لما يحدث في جهاز إلكتروني.

- تجربة العزل الكهربائي:

خذ قراءة المقاومة النوعية لكل غشاء باستخدام مقياس متعدد. ضع الجهاز على مقياس المقاومة العالية واضغط بالمسبار على سطح الفيلم. تعطي القراءة مؤشراً لقوة العزل الكهربائي. سيكون لأفلام البوليميد قراءة مقاومة أعلى. الدرس المستفاد من هذا التمرين هو سبب استخدامها في الدوائر التي يجب أن تتحمل الانهيار الكهربائي.

- مقارنة القوة الميكانيكية:

قم بإجراء تجربة على كلا الفيلمين للمقارنة بين قوة الشد. ثبِّت كلا الفيلمين في موضعهما وقم بتطبيق الأوزان تدريجياً. حدد العينة التي تتمدد أقل عند تعرضها للشد. يمكن لأفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت أن تكون مرنة للغاية، لكن أفلام البولي إيميد ستحتفظ بشكلها تحت الضغط. يمكن أن يكشف اختبار السحب الكثير عن سلامة كلتا المادتين.

الكيمياء

- تحقيق التركيب الجزيئي:

بناء نماذج لأدوات بسيطة مثل الورق أو الطين. يتم عرض كل وحدة متكررة. نماذج بولي إيثيلين تيريفثالات البولي إيثيلين عبارة عن سلاسل طويلة من مجموعات الإستر التي تربط بينها. تحتوي نماذج البولي إيميد على حلقات عطرية ومجموعات إيميد. يمكن من خلال بناء هذه النماذج توقع كيف ولماذا تكون بنية معينة أفضل لتحمل الحرارة.

- الثبات الحراري والتحلل

اشرح ببطء كيف يتفاعل كل فيلم مع أكثر من تحمله للحرارة. سوف يتحلل البولي إيثيلين تيريفثاليت عند درجة حرارة 250 درجة مئوية تقريباً. ومع ذلك، ستقاوم أفلام البولي إيميد درجات حرارة تزيد عن 400 درجة مئوية قبل أن تتحلل. هذا شيء يجب القيام به بحذر. التصرف في بيئة محكومة وبجميع معدات الحماية.

- محاكاة البلمرة:

اشرح عملية البلمرة باستخدام أجسام فعلية مثل مشابك الورق أو الخرزات الصغيرة المرتبطة معًا في سلسلة. إظهار كيفية دمج المونومرات المنفردة لإنتاج سلاسل طويلة. يوضح هذا العرض التوضيحي سبب قوة بنية سلسلة البوليميد. توفر المجسمات النموذجية لهذه المفاهيم المجردة شكلاً ملموساً.

التكنولوجيا والتطبيقات

- الروابط في العالم الحقيقي

تستخدم الشاشات والحزم المرنة في الحياة اليومية أغشية البولي إيثيلين تيريفثاليت. من المحتمل أنك تقرأ من شاشة تعمل باللمس أو زجاجة بلاستيكية تستخدم هذه الأغشية. تستخدم أفلام البولي إيميد في التطبيقات التي تكون فيها درجات الحرارة العالية هي القاعدة. وخير مثال على ذلك لوحات الدوائر المطبوعة المرنة، وكذلك الأجزاء العازلة للمركبات الفضائية.

- تحدي STEM:

صمم تحديًا حيث يتعين عليك بناء "درع حراري". استخدم شرائط رقائق البوليمر لحماية مستشعر صغير من مصدر حرارة. خذ القياسات لمعرفة أي فيلم يوفر حماية أكبر. هذا التحدي هو مزيج من التصميم والاختبارات العلمية ويوفر إحساساً حقيقياً بماهية الهندسة.

- تسجيل البيانات

أدخل معدات مثل المزدوجات الحرارية أو مستشعرات أردوينو الأساسية لتسجيل التغيرات في درجة الحرارة في التجارب. وهذا يعطي لمسة تكنولوجية للتجارب. من الممكن تعليم مبادئ تسجيل البيانات. فهو يجمع بين مكونات الفيزياء والكيمياء وترميز الكمبيوتر في تمرين معملي واحد.

الخاتمة

تعتبر أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد من المواد الأساسية المستخدمة في الإلكترونيات الحساسة للحرارة في الوقت الحاضر. التركيب الجزيئي للفيلم يجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات في الإلكترونيات. يمكن للتجربتين أن توضحا بسهولة كيف تختلفان عن بعضهما البعض فيما يتعلق بالمقاومة الحرارية والعزل الكهربائي والقوة الميكانيكية. تساعد التجارب العملية في الربط بين النظرية والتطبيقات الواقعية. للمزيد من المعلومات وتجارب العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، يُرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما الفرق الرئيسي بين أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت والبولي إيميد؟

س: أفلام البولي إيثيلين تيريفثاليت مناسبة للحرارة المعتدلة، بينما أفلام البولي إيميد مناسبة للحرارة العالية.

س: هل الفيلمان مناسبان للإلكترونيات المرنة؟

س: نعم، يُعد البولي إيثيلين تيريفثالات البولي إيثيلين شائعًا في شاشات العرض المرنة والبولي إيميد في لوحات الدوائر المطبوعة.

و: لماذا تحتاج الأجهزة الإلكترونية إلى استخدام الفيلمين؟

ج: إنها توفر الحماية من الحرارة للمكونات وتوفر العزل الكهربائي وتحسن موثوقية الجهاز بشكل عام.