Kā PTFE{0}}pārklāta tērauda loksnes termiskā izplešanās ietekmē pārklājuma saķeri tūkstošiem ciklu?

Tērauda sildīšanas plāksne ar PTFE{0}}pārklājumu, kas pēc simts ciklu izskatās nevainojama, pēc desmit tūkstoš cikliem var nedaudz veidoties pūšļos un no malām lobīties. Galvenais iemesls nav ķīmisks uzbrukums, bet gan nerimstošs mehānisks spriegums,-tērauds izplešas ar karstumu, bet PTFE pārklājums nevēlas sekot, un šī klusā-kara vilkšana- notiek pie atomu saites līnijas. PTFE pārklājuma adhēzijas tērauda plātņu uzvedības izpratnei par termisko izplešanos ir izšķiroša nozīme, lai definētu pārklājumus, kas iztur gadiem ilgu sildīšanas un dzesēšanas ciklu bez atslāņošanās.

Termiskās izplešanās nesakritības koeficients
Visi materiāli karsējot izplešas un atdzesējot saraujas. Termiskās izplešanās koeficients (CTE) nosaka šo izmēru izmaiņu lielumu. Pārklātas plāksnes divu galveno komponentu CTE vērtības krasi atšķiras:

PTFE (politetrafluoretilēns): ~ 120 × 10-6/grāds (20-100 grādu diapazonā)

316 L nerūsējošais tērauds: aptuveni . 17 × 10⁻⁶/grāds

Tomēr tādām pašām temperatūras izmaiņām PTFE izplešas apmēram septiņas reizes vairāk nekā tērauds. Tērauds izplešas aptuveni par 0,9 mm uz 300 mm platas plāksnes, kas uzkarsēta no 20 grādiem līdz 200 grādiem. Neierobežots PTFE paplašinātos līdz aptuveni 6,5 mm. Taču PTFE pārklājums nav brīvs – tas ir piestiprināts pie virsmas tērauda. Tas izraisa pārklājuma locīšanu un saraušanos ar metālu, uzkrājot iekšējo spriegumu.

Kāpēc PTFE maigums neatrisina problēmu?
Sākotnēji šķiet, ka PTFE maigums un elastība kompensē neatbilstību. Polimērs var nedaudz izstiepties (elastīgi). Bet vaina nav lielajā PTFE, bet gan stingrajā gruntēšanas slānī, kas pielīp pie metāla. Lielākajai daļai augstas veiktspējas PTFE pārklājumu ir nepieciešams gruntējums — plāns saķeres-slānis, kas veicina adhēzijas-polimērus, bieži vien ar keramiskām pildvielām. Šis gruntējums ir stingrs un trausls, un CTE ir tuvāk tēraudam nekā PTFE.

Ikreiz, kad plāksne uzsilst un atdziest, pārklājuma savienojuma līnija tiek mikroskopiski izkustināta. Tēraudam uzsilstot, tas izplešas un izvelk grunts slāni uz āru. PTFE, kas atrodas virs gruntskrāsas, vēlas vairāk paplašināties, taču tiek aizturēts. Tā rezultātā saskarnē rodas mikro-bīdes deformācijas. Tērauds saraujas un izspiež pārklājumu, kad tas atdziest. Vienā ciklā spriegumi var būt zemi. Bet tūkstošiem ciklu laikā nogurums uzkrājas vājākajā vietā, parasti grunts un metāla saskarnē vai starp grunti un virskārtu.

Kļūmes režīmi cikliskās termiskās izplešanās dēļ
PTFE pārklājuma plāksnēs pēc atkārtotas termiskās cikla tiek novēroti divi dažādi bojājumu veidi:

Malu lobīšanās (līmes bojājums): Spriegumi koncentrējas plāksnes malās, kur pārklājums apstājas. Katrā ciklā bīdes spriegums velkas uz pārklājumu no malas uz iekšu. Robežai veidojas nelielas plaisas, kas izplatās, izraisot PTFE pacelties no metāla virsmas. Parasti tā ir tīra metāla-primer saskarnes kļūme.

Blisteri (savienota gruntskrāsa): ja grunts slānis ir pārāk ciets un trūkst iekšējās elastības, pašā gruntskrāsas iekšpusē veidosies mikro{0}}plaisas. Šie lūzumi var ļaut mitrumam vai tvaikiem nokļūt zem virskārtas. Turpmāka karsēšana izraisa notverto gāzu izplešanos un pūšļu veidošanos. Pirms šī bojājuma modeļa parasti pārklājuma virsma kļūst duļķaina vai maina krāsu.

Graded Primer risinājums: atbilstība stresa absorbcijai
Pašreizējā pieeja CTE neatbilstības problēmas risināšanai ir izmantot daudzslāņu gruntēšanas sistēmu, kas lēnām pāriet no stingras, metāla -savienojuma ķīmijas uz elastīgāku, fluorpolimēriem{2}}draudzīgāku slāni. To sauc par daudzpakāpju atbilstības robežu.

Kā tas darbojas: Sākotnējais slānis (kas tiek uzklāts tieši uz tērauda) satur lielu daudzumu adhēzijas veicinātāju un termiski piemērotu pildvielu. Tas agresīvi pielīp pie metāla, un CTE ir tuvu tēraudam. Vēlākajos slāņos ir arvien lielāks daudzums PTFE vai citu saderīgu fluorpolimēru. Katram slānim ir nedaudz augstāks CTE un zemāks modulis nekā pamatā esošajam slānim. Augšējā gruntskrāsa ir mīksta un elastīga un cieši pieguļ PTFE virskārtai.

Sprieguma absorbcijas mehānisms: kad plāksne tiek uzkarsēta, bīdes spriegums tiks izkliedēts pa šķirotā gruntējuma biezumu, nevis koncentrēts vienā asā saskarnē. Katrs slānis nedaudz izkropļo, pārņemot daļu no izplešanās neatbilstības. Rezultāts ir ievērojami zemāks maksimālais stress jebkurā brīdī. Patiešām, kohēzijas neveiksme gruntskrāsā (nevis pie metāla virsmas) liecina, ka sistēma darbojas kā vēlams – spriegums tiek absorbēts vietā, kur materiāls var plastiski saliekties, nevis sarauj būtisku līmes saiti ar tēraudu.

Ieguvumu mērīšana: informācija par cikliskajiem testiem
Paātrinātā kalpošanas laika pārbaude PTFE{0}}pārklātām plāksnēm ar un bez grunts slāņiem uzrāda ievērojamas atšķirības. Tipiskas 2 slāņu sistēmas (grunts + virskārta) parasti parāda malu lobīšanos pēc 2000–3000 karsēšanas cikliem no apkārtējās vides līdz 200 grādiem. Pakāpju gruntēšanas sistēma ar 4 vai vairāk pārejas slāņiem bieži iztur vairāk nekā 20 000 ciklus bez manāma adhēzijas zuduma. Uzlabojums izriet no pakāpes atbilstības dizaina.

Pārklājuma izvēle: praktiski apsvērumi
Nosakot PTFE pārklājumu tērauda plāksnei, kas tiks pakļauta biežai temperatūras cikliskumam, jāņem vērā:

Gruntskrāsas uzbūve: vaicājiet pārklājuma piegādātājam par gradētas vai daudzslāņu grunts{0}}pieejamību. Ne visiem PTFE pārklājumiem ir šī īpašība.

Maksimālā darba temperatūra Augstāka temperatūra palielina CTE nesakritības stresu. Spēcīgs cikla spriegums rodas krietni pirms PTFE noārdīšanās sākuma temperatūrā virs 260 grādiem.

Plāksnes biezums: biezākas plāksnes absolūtā izteiksmē izplešas vairāk (ar tādu pašu CTE).

Malu apstrāde: Noapaļotas vai noslīpētas malas samazina sprieguma koncentrāciju pret asiem 90 grādu stūriem. Pārklājumam ir jāsniedzas nedaudz pāri apsildāmajai zonai, lai tas pēkšņi neapstātos augsta-sprieguma zonā.

Secinājums: Primer Chemistry Victory
PTFE pārklājuma ilgstoša pieķeršanās tērauda plāksnei- nav tikai sākotnējās saistīšanas stiprības funkcija. Tas ir gruntēšanas ķīmijas šedevrs, kas absorbē kluso, periodisko termiskās izplešanās spiedienu, kas parasti noplēstu pārklājumu pēc tūkstošiem ciklu. Tādā gadījumā CTE neatbilstība ir konstrukcijas parametrs, nevis nāvējoša kļūda, jo pakāpeniska atbilstības saskarne var tikt veidota slāni pa slānim, sākot no cieto metālu -savienojuma ķīmijas līdz elastīgai fluorpolimēra virsmai. Spēcīgākā saite nav viena stiprā saite, bet gan spriedzi mazinošu saišu ķēde, un PTFE-pārklātu tērauda plāksnīšu gadījumā ķēde ir kalta gruntē.