Kā termiskās izplešanās neatbilstība starp PFA un iekšējo metāla serdi maina savienojuma slāņa integritāti termiskās cikliskās darbības laikā?

Katram PFA-iekapsulētajam iegremdējamam sildītājam ir metāla sildīšanas serdenis, parasti no Incoloy 825, titāna vai nerūsējošā tērauda 316, ko ieskauj PFA slānis. PFA slānis tiek vai nu ekstrudēts tieši uz metāla, vai arī tiek uzklāts kā termiski saraušanās caurule ar starpposma līmes slāni. Komerciālajos sildītājos šis savienojošais slānis parasti ir 0,05–0,20 mm biezs, un tam ir divas svarīgas funkcijas: tas transportē siltumu no metāla serdes uz ārējo PFA apvalku, kā arī novērš atslāņošanos, kas var izraisīt mitruma iekļūšanu un elektrības noplūdi. PFA (100–120 ppm/grāds) un metāla serdenim (14–18 ppm/grādi) ir termiskās izplešanās koeficients (CTE), kas atšķiras aptuveni par sešiem koeficientiem. Vairāk nekā 30 cm garumā PFA cenšas izplesties par 0,8–1,2% vairāk nekā metāla serdeņa katrā karsēšanas ciklā no apkārtējās vides līdz darba temperatūrai (piemēram, no 25 grādiem līdz 150 grādiem augstas temperatūras skābes vannām). Šī izplešanās atšķirība izraisa ciklisku bīdes spriegumu PFA{22}}metāla saskarnē, kas ir vērsta uz saistītās zonas galiem. Saistošajam slānim, kas bieži ir modificēts fluorpolimērs vai adhēzijas veicinātājs, kura pamatā ir silāns{24}}, ir jāpieņem šis cikliskais bīdes spriegums bez bojājumiem (kohēzijas vai lipīgas). Atkārtota temperatūras maiņa lēnām iznīcina savienojošo slāni ar noguruma mehānismu palīdzību, galu galā izraisot lokālu atslāņošanos un priekšlaicīgu sildītāja atteici.

Bīdes sprieguma attīstība savienošanas saskarnē, ko izraisa CTE neatbilstība.
Termiskās izplešanās koeficientu atšķirības rada nevienmērīgu sprieguma lauku, lai gan tas ir ļoti lokalizēts, savienotā reģiona galos. Paņemiet sildītāju ar 50 cm garu metāla serdi, kas pilnībā noslēgts ar PFA. Brīvais (nesaistītais) PFA pagarinātos par aptuveni 0,125 mm uz vienu cm garumu (CTE 110 ppm/grādi × 125 grādi=0.01375 mm/cm) vai 0,69 mm virs 50 cm, karsējot no 25 grādiem līdz 150 grādiem. Brīvā metāla kodols paplašinātos par 0,020 mm uz cm (CTE 16 ppm/grādi × 125 grādi=0.002 mm/cm) vai 0,10 mm virs 50 cm. Šī 0,59 mm starpība ir jākompensē ar savienojošā slāņa bīdes deformāciju. 50 cm garam savienojuma slānim vidējā bīdes deformācija ir tikai 0,59 mm/50 cm=0.0012 (0,12%), kas ir nenozīmīga. Tomēr savienojošais slānis nav vienmērīgi deformēts visā garumā. Saistītās zonas vidū PFA un metāls ir spiesti pārvietoties kopā, un relatīvais pārvietojums ir nulle. Saistītā apgabala galiem ir jāiztur visa 0,59 mm diferenciālā izplešanās nelielā attālumā, -parasti 2-5 mm no savienojuma gala. Tā rezultātā koncentrācijas koeficients bīdes deformācijā ir 50 līdz 100 reizes lielāks par tipisko deformāciju. Parastā PFA-metāla sildītāja ar 0,10 mm biezu savienojošo slāni galīgo elementu modelēšana paredz maksimālos bīdes spriegumus savienojuma galos par 125 grādu temperatūras paaugstināšanos.

Lielākajai daļai modificēto fluorpolimēru adhezīvu bīdes deformācija 15–25 % savienojuma slānī atbilst bīdes spriegumam 3–6 MPa, pamatojoties uz bīdes moduli (apmēram 20–30 MPa gumijas stāvoklī virs stiklošanās temperatūras). Šis sprieguma līmenis ir zemāks par tikko uzklāta savienojošā slāņa galīgo bīdes izturību (parasti 8–12 MPa). Saistošais slānis izdzīvo vienu siltuma ciklu. Tomēr tas pats maksimālais bīdes spriegums atkārtojas katrā ciklā, izraisot noguruma bojājumus. Saistošā slāņa noguruma ilgumu var aprakstīt ar jaudas likumu: Nf=A × (σbīde)−b, kur b parasti ir no 5 līdz 8 fluorpolimēru līmēm. 5 MPa spriegums var izraisīt atteici 10 000 ciklos, bet 3 MPa spriegums var nodrošināt dzīvību ilgāk par 50 000 cikliem. Praksē tas nozīmē, ka sildītājiem, kas darbojas ar temperatūras svārstībām 125 grādiem (piem., . 25 grādi līdz 150 grādiem), savienojošā slāņa noguruma kalpošanas laiks būs 5000–15 000 ciklu, bet sildītājam ar svārstību 60 grādiem (piem., . 30 grādi) līdz 90,00,0 grādi līdz 90,40 grādiem. cikli.

Atslāņošanās izplatīšanās mehānismi un noteikšana
Kad noguruma bojājumi sākas saites galos, atslāņošanās izplatās uz iekšu gar saskarni pa diviem ceļiem. Pirmais mehānisms ir ciklisks bīdes nogurums. Katrā siltuma ciklā tiek izmantots vienāds bīdes deformācijas sadalījums un plaisas priekšpuse tiek izplatīta par 10-50 $\\mu$m ciklā atkarībā no sprieguma intensitātes faktora plaisas galā. Tā kā atslāņošanās attīstās ilgāk, savienojuma garums kļūst īsāks un bīdes spriedze jaunajā plaisas galā palielinās, jo kopējā diferenciālā nobīde ir jāpielāgo īsākam atlikušajam savienojuma garumam. Šī pozitīvā atgriezeniskā saite palielina izplatīšanos: atslāņošanās, kas attīstīta līdz 10% no visas saites garuma, piedzīvo plaisu galu bīdes deformācijas par 10–20% augstākas nekā sākotnējās saites galā, izraisot tā izplatīšanos ātrāk. Otrā metode ir uzbrukums videi. Kodīgos pakalpojumos, piemēram, skābes vannās, kodīgos tīrīšanas šķīdumos vai mitrā hlora apstākļos, agresīvā vide ar kapilāru darbību tiek iekļūta atslāņošanās spraugā. Ķīmiskās vielas uzbrūk vai nu pašam savienojošajam slānim, vai metāla serdes virsmai, mainot atslāņošanos no tīri mehāniska noguruma lūzuma uz korozijas izraisītu plaisu. Pusvadītāju slapjos stendos izmantoto PFA sildītāju lauka defektu analīze parāda, ka 70% atslāņošanās kļūdu ir savienojuma galos, kas pakļauti procesa šķidrumam, salīdzinot ar 30% sausās (augšējā) saites galā virs šķidruma līnijas. Tas norāda, ka vides absorbcija pavairo neveiksmi 3–5 reizes.

Lai noteiktu savienojošā slāņa atslāņošanos pirms katastrofālas sabrukšanas, ir nepieciešama periodiska elektriskā pārbaude. Pilnībā savienota PFA sildītāja ar neskartu PFA kapacitāte starp metāla serdi un ārējo zemējuma elektrodu ir vienmērīga visu laiku. Delaminācijas procesā saskarnē veidojas gaisa sprauga. Gaisa dielektriskā konstante ir aptuveni 1,0, bet PFA - 2,1. Tādējādi atslāņotā daļa izpaužas kā zemāka-kapacitātes sadaļa. Izmēriet kapacitāti visā sildītāja garumā, izmantojot segmentētu ārējo elektrodu vai pārvēršot vienu elektroda skavu. Lokalizētu atslāņošanos norāda kapacitātes izmaiņas, kas lielākas par 15% starp blakus esošajām 5 cm sekcijām. Ja sildītājam ir iezemētā plakne, kas iestrādāta PFA apvalkā (parasti -drošības novērtējuma konstrukcijām), izmēriet izolācijas pretestību starp metāla serdi un iezemēto plakni. Vērtības samazinājās no 100–500 MΩ līdz 10–50 MΩ 6–12 mēnešu laikā, norādot uz ievērojamu atslāņošanos un mitruma infiltrāciju spraugā.

Variācijas līmēšanas slāņa dizainā un noguruma izturībā
Ne visas PFA{0}}uz-metālu savienošanas metodes ir vienlīdz efektīvas temperatūras ciklā. Ir četras tipiskas būvniecības stratēģijas, no kurām katra izmanto atšķirīgu reakciju uz CTE neatbilstības stresu. Pirmā, pret nogurumu izturīgākā pieeja apvieno ķīmiski kodinātu metāla serdi ar modificētas PFA gruntēšanas slāni ar reaktīvām grupām (maleīnskābes anhidrīdu vai līdzīgiem savienojošiem līdzekļiem). Grunts ķīmiski reaģē ar metāla oksīda slāni, lai izveidotu kovalentu saskarni, nevis vienkārši adhezīvu. Šī struktūra nodrošina 50 000 līdz 100 000 saistošā slāņa bīdes noguruma ciklu mūžu pie ΔT=100 grādiem. Otrā pieeja ietver mehānisku bloķēšanu, kur metāla serdeņa tiek apstrādāta ar smilšu strūklu līdz raupjai virsmai (Ra=3–5 µm), un PFA tiek tieši izspiests uz raupjas virsmas, neizmantojot papildu līmi. PFA iekļūst virsmas netīrumos, izraisot mehānisku bloķēšanu. Šīs pieejas rezultātā noguruma kalpošanas laiks ir 20 000-40 000 ciklu, taču tas neizdodas ar citu mehānismu, ti, PFA izraujas no slāņa, nevis savienojas slānis. Trešā metode ir balstīta uz stīpas atlikuma saspiešanu no termiski saruktas PFA caurules saraušanās uz gludas metāla serdes bez virsmas apstrādes. Noguruma kalpošanas laiks ir ļoti atšķirīgs, no 2000 līdz 15 000 cikliem atkarībā no līmes ķīmiskās sastāva.

Nākamajā tabulā parādīts aptuvenais savienojošā slāņa noguruma mūžs katrai ražošanas metodei kā funkcija no termiskā cikla lieluma (ΔT), maksimālās darba temperatūras un ķīmiskās vides smaguma pakāpes.

Konstrukcijas metode Līmēšanas maks. ΔT ciklā ( grāds )