Πώς η αναντιστοιχία θερμικής διαστολής μεταξύ του PFA και του εσωτερικού μεταλλικού πυρήνα αλλάζει την ακεραιότητα του στρώματος συγκόλλησης κατά τη θερμική ανακύκλωση;

Κάθε θερμαντήρας εμβάπτισης{0}}ενθυλακωμένος με PFA έχει έναν μεταλλικό θερμαντικό πυρήνα, συνήθως από Incoloy 825, τιτάνιο ή ανοξείδωτο χάλυβα 316, που περιβάλλεται από ένα στρώμα PFA. Το στρώμα PFA είτε εξωθείται απευθείας πάνω στο μέταλλο είτε εφαρμόζεται ως θερμικά-συστελλόμενος σωλήνας με ένα ενδιάμεσο συγκολλητικό στρώμα συγκόλλησης. Αυτό το συγκολλητικό στρώμα έχει συνήθως πάχος 0,05-0,20 mm σε εμπορικούς θερμαντήρες και έχει δύο σημαντικές λειτουργίες: μεταφέρει θερμότητα από τον μεταλλικό πυρήνα στο εξωτερικό περίβλημα PFA και αποτρέπει την αποκόλληση που μπορεί να οδηγήσει σε διείσδυση υγρασίας και διαρροή ηλεκτρικής ενέργειας. Το PFA (100–120 ppm/βαθμός) και ο μεταλλικός πυρήνας (14–18 ppm/βαθμός) έχουν συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) που διαφέρει κατά περίπου έναν παράγοντα έξι. Σε μήκος 30 cm το PFA επιδιώκει να διαστέλλεται 0,8–1,2% περισσότερο από τον μεταλλικό πυρήνα κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου θέρμανσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος στη θερμοκρασία λειτουργίας (π.χ. 25 μοίρες έως 150 μοίρες για λουτρά οξέος υψηλής θερμοκρασίας). Αυτή η διαφορά στη διαστολή οδηγεί σε κυκλική διατμητική τάση στη διεπιφάνεια μετάλλου PFA{22}, εστιασμένη στα άκρα της συνδεδεμένης περιοχής. Το συνδετικό στρώμα, συχνά ένα τροποποιημένο φθοροπολυμερές ή ένας προαγωγέας πρόσφυσης με βάση-σιλάνιο, πρέπει να δέχεται αυτήν την κυκλική διατμητική τάση χωρίς αστοχία (συνεκτικό ή κολλώδες). Ο επαναλαμβανόμενος κύκλος θερμοκρασίας καταστρέφει αργά το συνδετικό στρώμα με μηχανισμούς κόπωσης, προκαλώντας τελικά τοπική αποκόλληση και πρόωρη αστοχία του θερμαντήρα.

Ανάπτυξη διατμητικής τάσης στη διεπαφή συγκόλλησης που προκαλείται από ασυμφωνία CTE.
Η διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής παράγει ένα ανομοιόμορφο πεδίο τάσης, αν και πολύ εντοπισμένο, στα άκρα της συνδεδεμένης περιοχής. Πάρτε μια θερμάστρα με μεταλλικό πυρήνα μήκους 50 εκατοστών πλήρως κλειστό με PFA. Το ελεύθερο (χωρίς δεσμό) PFA θα επιμηκύνεται κατά περίπου 0,125 mm ανά cm μήκος (CTE 110 ppm/βαθμός × 125 μοίρες=0.01375 mm/cm) ή 0,69 mm σε 50 cm όταν θερμαίνεται από 25 βαθμούς σε 150 βαθμούς . Ο ελεύθερος μεταλλικός πυρήνας θα επεκταθεί κατά 0,020 mm ανά cm (CTE 16 ppm/βαθμός × 125 μοίρες=0.002 mm/cm) ή 0,10 mm σε 50 cm. Αυτή η διαφορά των 0,59 mm πρέπει να αντισταθμιστεί με διατμητική παραμόρφωση του συνδετικού στρώματος. Για ένα στρώμα συγκόλλησης μήκους 50 cm, η μέση διατμητική τάση είναι μόλις 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12%) που είναι ασήμαντη. Ωστόσο, το συνδετικό στρώμα δεν παραμορφώνεται ομοιόμορφα στο μήκος του. Στο μέσο της συνδεδεμένης περιοχής το PFA και το μέταλλο αναγκάζονται να ταξιδέψουν μαζί και η σχετική μετατόπιση είναι μηδέν. Τα άκρα της συνδεδεμένης περιοχής πρέπει να χειρίζονται ολόκληρο το 0,59 mm διαφορικής διαστολής σε μικρή απόσταση-συνήθως 2-5 mm από το άκρο του δεσμού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν συντελεστή συγκέντρωσης στη διατμητική τάση 50 έως 100 φορές την τυπική παραμόρφωση. Η μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων ενός συμβατικού θερμαντήρα PFA-σε μέταλλο με στρώμα συγκόλλησης πάχους 0,10 mm προβλέπει μέγιστες διατμητικές τάσεις της τάξης του 15-25% στα άκρα συγκόλλησης για αύξηση θερμοκρασίας 125 μοιρών.

Για τις περισσότερες τροποποιημένες κόλλες φθοριοπολυμερούς, μια διατμητική τάση 15-25 % στο συνδετικό στρώμα ισοδυναμεί με τάση διάτμησης 3-6 MPa, με βάση το μέτρο διάτμησης (περίπου 20-30 MPa σε ελαστική κατάσταση πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου). Αυτό το επίπεδο τάσης είναι χαμηλότερο από την τελική αντοχή σε διάτμηση μιας πρόσφατα εφαρμοσμένης στρώσης συγκόλλησης (συνήθως 8–12 MPa). Το συνδετικό στρώμα επιβιώνει σε έναν μόνο κύκλο θερμότητας. Ωστόσο, η ίδια διατμητική τάση αιχμής επαναλαμβάνεται κάθε κύκλο προκαλώντας την έναρξη βλάβης λόγω κόπωσης. Η διάρκεια κόπωσης του στρώματος σύνδεσης μπορεί να περιγραφεί με έναν νόμο ισχύος: Nf=A × (σδιάτμηση)−b, όπου το b είναι συνήθως μεταξύ 5 και 8 για κόλλες φθοροπολυμερούς. Μια τάση 5 MPa μπορεί να προκαλέσει αστοχία σε 10.000 κύκλους, αλλά μια τάση 3 MPa μπορεί να δώσει ζωές πέρα ​​από 50.000 κύκλους. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι θερμαντήρες που λειτουργούν με αιώρηση θερμοκρασίας 125 μοιρών (π.χ.. 25 μοίρες έως 150 μοίρες ) θα έχουν διάρκεια ζωής κόπωσης του στρώματος συγκόλλησης 5.000-15.000 κύκλων, αλλά ένας θερμαντήρας με αιώρηση 60 μοιρών (π.χ.. 30 μοίρες έως 900,01, 90 μοίρες) θα διαρκέσει από 0-01,00 βαθμούς. κύκλους.

Μηχανισμοί και Ανίχνευση Διάδοσης Αποελασμάτων
Μόλις ξεκινήσει η βλάβη λόγω κόπωσης στα άκρα του δεσμού, η αποκόλληση διαδίδεται προς τα μέσα κατά μήκος της διεπαφής μέσω δύο οδών. Ο πρώτος μηχανισμός είναι η κυκλική διατμητική κόπωση. Σε κάθε κύκλο θερμότητας εφαρμόζεται η ίδια κατανομή διατμητικής τάσης και το μέτωπο της ρωγμής διαδίδεται 10-50 $\\mu$m ανά κύκλο, ανάλογα με τον παράγοντα έντασης τάσης στο άκρο της ρωγμής. Καθώς η αποκόλληση αναπτύσσεται περισσότερο, το μήκος του δεσμού γίνεται μικρότερο και η διατμητική τάση στο νέο άκρο της ρωγμής αυξάνεται καθώς η συνολική διαφορική μετατόπιση πρέπει να προσαρμοστεί σε ένα μικρότερο μήκος δεσμού που απομένει. Αυτή η θετική ανάδραση αυξάνει τη διάδοση: μια αποκόλληση που αναπτύχθηκε στο 10% ολόκληρου του μήκους του δεσμού παρουσιάζει διατμητικές παραμορφώσεις στο άκρο της ρωγμής 10-20% υψηλότερες από το αρχικό άκρο δεσμού, με αποτέλεσμα να διαδίδεται ταχύτερα. Η δεύτερη μέθοδος είναι η επίθεση στο περιβάλλον. Σε διαβρωτικές υπηρεσίες όπως λουτρά οξέος, καυστικά διαλύματα καθαρισμού ή υγρές ρυθμίσεις χλωρίου, το επιθετικό μέσο διοχετεύεται στο κενό αποκόλλησης με τριχοειδική δράση. Τα χημικά είδη επιτίθενται είτε στο ίδιο το συνδετικό στρώμα είτε στην επιφάνεια του μεταλλικού πυρήνα, αλλάζοντας την αποκόλληση από ένα καθαρά μηχανικό κάταγμα κόπωσης σε μια υποβοηθούμενη από διάβρωση ρωγμή. Η ανάλυση αστοχίας πεδίου των θερμαντήρων PFA που χρησιμοποιούνται σε υγρούς πάγκους ημιαγωγών δείχνει ότι το 70% των αστοχιών αποκόλλησης είναι στα άκρα δεσμών που εκτίθενται στο υγρό διεργασίας σε σύγκριση με το 30% στο ξηρό (άνω) άκρο δεσμού πάνω από τη γραμμή υγρού. Αυτό δείχνει ότι η περιβαλλοντική αποστράγγιση διαδίδει την αστοχία κατά συντελεστή 3-5.

Απαιτείται περιοδικός ηλεκτρικός έλεγχος για την ανίχνευση αποκόλλησης του συνδετικού στρώματος πριν από την καταστροφική κατάρρευση. Η χωρητικότητα μεταξύ του μεταλλικού πυρήνα και ενός εξωτερικού ηλεκτροδίου γείωσης ενός πλήρως συνδεδεμένου θερμαντήρα PFA με άθικτο PFA είναι σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Στη διαδικασία αποκόλλησης, δημιουργείται ένα διάκενο αέρα στη διεπαφή. Η διηλεκτρική σταθερά του αέρα είναι περίπου 1,0 και αυτή του PFA είναι 2,1. Έτσι, ένα αποκολλημένο τμήμα εμφανίζεται ως τμήμα χαμηλότερης- χωρητικότητας. Μετρήστε την χωρητικότητα κατά μήκος του μήκους του θερμαντήρα είτε χρησιμοποιώντας ένα τμηματοποιημένο εξωτερικό ηλεκτρόδιο είτε μεταφράζοντας έναν σφιγκτήρα μονού ηλεκτροδίου. Η τοπική αποκόλληση υποδεικνύεται από μια αλλαγή χωρητικότητας μεγαλύτερη από 15% μεταξύ γειτονικών τμημάτων 5 cm. Εάν ο θερμαντήρας έχει ένα επίπεδο γείωσης ενσωματωμένο μέσα στη θήκη PFA (κοινό για τα σχέδια ασφαλείας{11}), μετρήστε την αντίσταση μόνωσης μεταξύ του μεταλλικού πυρήνα και του επιπέδου γείωσης. Οι τιμές μειώθηκαν από 100–500 MΩ σε 10–50 MΩ μέσα σε 6–12 μήνες, υποδεικνύοντας σημαντική αποκόλληση και διείσδυση υγρασίας στο διάκενο.

Παραλλαγές στο σχεδιασμό του στρώματος συγκόλλησης και στη συμπεριφορά κόπωσης
Δεν είναι όλες οι προσεγγίσεις συγκόλλησης PFA-σε-μετάλλου εξίσου αποτελεσματικές στον κύκλο θερμοκρασίας. Υπάρχουν τέσσερις τυπικές κατασκευαστικές στρατηγικές, καθεμία από τις οποίες χρησιμοποιεί διαφορετική απόκριση στην καταπόνηση ασυμφωνίας CTE. Η πρώτη, πιο ανθεκτική στην κόπωση, προσέγγιση συνδυάζει έναν χημικά χαραγμένο μεταλλικό πυρήνα με ένα στρώμα εκκίνησης τροποποιημένου PFA με αντιδραστικές ομάδες (μηλεϊνικός ανυδρίτης ή παρόμοιοι παράγοντες σύζευξης). Το αστάρι αντιδρά χημικά με το στρώμα μεταλλικού οξειδίου για να δημιουργήσει μια ομοιοπολική διεπαφή, όχι απλώς μια συγκολλητική. Αυτή η δομή δίνει 50.000 έως 100.000 κύκλους ζωής διατμητικής κόπωσης του στρώματος σύνδεσης σε ΔΤ=100 βαθμό . Η δεύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει μια μηχανική ασφάλιση, όπου ο μεταλλικός πυρήνας αμμοβολείται σε μια τραχιά επιφάνεια (Ra {= 3–5 μm) και το PFA εξωθείται απευθείας στην τραχιά επιφάνεια χωρίς πρόσθετη κόλλα. Το PFA διεισδύει στις επιφάνειες προκαλώντας μηχανικό κλείδωμα. Αυτή η προσέγγιση έχει ως αποτέλεσμα μια διάρκεια ζωής κούρασης 20.000-40.000 κύκλων, αλλά αποτυγχάνει με διαφορετικό μηχανισμό, π.χ. το PFA ξεκόβει από τις ασπίδες αντί να αποτυγχάνει συνεκτικά το στρώμα δεσμού. Η τρίτη μέθοδος βασίζεται στην υπολειπόμενη συμπίεση στεφάνης από μια προσαρμογή συρρίκνωσης ενός θερμικά συρρικνωμένου σωλήνα PFA πάνω από έναν λείο μεταλλικό πυρήνα χωρίς επεξεργασία επιφάνειας. Η διάρκεια ζωής της κόπωσης ποικίλλει πολύ, από 2.000 έως 15.000 κύκλους, ανάλογα με τη χημεία της κόλλας.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει την εκτιμώμενη διάρκεια κόπωσης του στρώματος σύνδεσης για κάθε μέθοδο κατασκευής ως συνάρτηση του μεγέθους θερμικού κύκλου (ΔT), της μέγιστης θερμοκρασίας λειτουργίας και της σοβαρότητας του χημικού περιβάλλοντος.

Μέθοδος κατασκευής Συγκόλληση Μέγ. ΔT ανά κύκλο (βαθμός)