Ako zmení nesúlad tepelnej rozťažnosti medzi PFA a vnútorným kovovým jadrom integritu spojovacej vrstvy pri tepelnom cyklovaní?

Každý ponorný ohrievač-zapuzdrený PFA má kovové vyhrievacie jadro, zvyčajne z Incoloy 825, titánu alebo nehrdzavejúcej ocele 316, obklopené vrstvou PFA. Vrstva PFA sa buď vytlačí priamo na kov, alebo sa nanesie ako teplom-zmrštená trubica s medziľahlou lepiacou vrstvou. Táto spojovacia vrstva má typicky hrúbku 0,05 – 0,20 mm v komerčných ohrievačoch a má dve dôležité funkcie: prenáša teplo z kovového jadra do vonkajšieho plášťa PFA a zabraňuje delaminácii, ktorá môže viesť k prenikaniu vlhkosti a úniku elektrického prúdu. PFA (100–120 ppm/stupeň) a kovové jadro (14–18 ppm/stupeň) majú koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE), ktorý sa líši približne o faktor šesť. Na dĺžku 30 cm sa PFA snaží expandovať o 0,8 – 1,2 % viac ako kovové jadro počas každého cyklu zahrievania z okolitej na pracovnú teplotu (napr. 25 stupňov až 150 stupňov pre vysokoteplotné kyslé kúpele). Tento rozdiel v expanzii vedie k cyklickému šmykovému namáhaniu na kovovom rozhraní PFA{22}}, ktoré je zamerané na konce spájanej oblasti. Spojovacia vrstva, často modifikovaný fluórpolymér alebo adhézny promótor na báze silanu, musí akceptovať toto cyklické šmykové namáhanie bez zlyhania (kohézneho alebo lepkavého). Opakované teplotné cykly pomaly ničia spojovaciu vrstvu únavovými mechanizmami, čo nakoniec spôsobí lokalizovanú delamináciu a predčasné zlyhanie ohrievača.

Vývoj šmykového napätia na rozhraní spájania spôsobeného nesúladom CTE.
Rozdiel v koeficientoch tepelnej rozťažnosti vytvára nerovnomerné pole napätia, aj keď veľmi lokalizované, na koncoch lepenej oblasti. Vezmite ohrievač s 50 cm dlhým kovovým jadrom úplne uzavretým s PFA. Voľná ​​(nespojená) PFA by sa predĺžila o približne 0,125 mm na cm dĺžky (CTE 110 ppm/stupeň × 125 stupňov=0.01375 mm/cm) alebo 0,69 mm nad 50 cm pri zahriatí z 25 stupňov na 150 stupňov. Voľné kovové jadro by expandovalo o 0,020 mm na cm (CTE 16 ppm/stupeň × 125 stupňov=0.002 mm/cm) alebo o 0,10 mm na 50 cm. Tento rozdiel 0,59 mm je potrebné kompenzovať šmykovou deformáciou spojovacej vrstvy. Pre spojovaciu vrstvu s dĺžkou 50 cm je priemerné šmykové napätie len 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12 %), čo je nevýznamné. Spojovacia vrstva však nie je po svojej dĺžke rovnomerne deformovaná. V strede lepenej oblasti sú PFA a kov nútené cestovať spolu a relatívny posun je nulový. Konce lepenej oblasti musia zvládnuť celých 0,59 mm rozdielovej expanzie na krátku vzdialenosť-zvyčajne 2-}5 mm od konca spoja. To má za následok koncentračný faktor v šmykovom prepätí 50 až 100-násobku typického napätia. Modelovanie pomocou konečných prvkov bežného PFA-kovového ohrievača s 0,10 mm hrubou spojovacou vrstvou predpovedá maximálne šmykové napätie rádovo 15-25 % na koncoch spojov pre zvýšenie teploty o 125 stupňov.

Pre väčšinu modifikovaných fluórpolymérových lepidiel sa šmykové napätie 15 – 25 % v spojovacej vrstve rovná šmykovému napätiu 3 – 6 MPa, vztiahnuté na modul šmyku (asi 20 – 30 MPa v kaučukovom stave nad teplotou skleného prechodu). Táto úroveň napätia je nižšia ako konečná pevnosť v šmyku čerstvo nanesenej spojovacej vrstvy (zvyčajne 8–12 MPa). Spojovacia vrstva prežije jeden tepelný cyklus. Avšak rovnaké maximálne šmykové napätie sa opakuje v každom cykle, čo spôsobuje únavové poškodenie. Únavovú životnosť spojovacej vrstvy možno opísať mocninným zákonom: Nf=A × (σšmyk)−b, kde b je bežne medzi 5 a 8 pre fluórpolymérové ​​lepidlá. Napätie 5 MPa môže spôsobiť poruchu pri 10 000 cykloch, ale napätie 3 MPa môže spôsobiť životnosť viac ako 50 000 cyklov. V praxi to znamená, že ohrievače, ktoré pracujú s teplotným výkyvom 125 stupňov (napr. . 25 stupňov až 150 stupňov ), budú mať únavovú životnosť spojovacej vrstvy 5 000 – 15 000 cyklov, ale ohrievač s výkyvom 60 stupňov (napr. . 30 stupeň až 90 stupňov,0000,0 cyklus) vydrží 000-10 cyklov

Mechanizmy a detekcia šírenia delaminácie
Akonáhle únavové poškodenie začne na koncoch väzby, delaminácia sa šíri smerom dovnútra pozdĺž rozhrania dvoma cestami. Prvým mechanizmom je cyklická šmyková únava. V každom tepelnom cykle sa aplikuje rovnaké rozdelenie šmykovej deformácie a čelo trhliny sa šíri 10-50 $\\mu$m za cyklus v závislosti od faktora intenzity napätia na vrchole trhliny. Keď sa delaminácia predĺži, dĺžka spoja sa skráti a šmykové napätie na vrchole novej trhliny sa zvýši, pretože celkový rozdielový posun sa musí prispôsobiť kratšej zostávajúcej dĺžke spoja. Táto pozitívna spätná väzba zvyšuje šírenie: pri delaminácii vyvinutej na 10 % celej dĺžky spoja dochádza k šmykovému namáhaniu špičky trhlín o 10–20 % vyšším ako počiatočný koniec spoja, čo spôsobuje, že sa šíri rýchlejšie. Druhým spôsobom je útok na okolie. V korozívnych prevádzkach, ako sú kyslé kúpele, žieravé čistiace roztoky alebo mokré nastavenia chlóru, je agresívne médium nasávané do delaminačnej medzery kapilárnym pôsobením. Chemické látky napádajú buď samotnú spojovaciu vrstvu alebo povrch kovového jadra, čím sa delaminácia mení z čisto mechanického únavového lomu na trhlinu podporovanú koróziou. Analýza porúch PFA ohrievačov používaných v polovodičových mokrých stoloch ukazuje, že 70 % porúch delaminácie je na koncoch spoja vystavených procesnej kvapaline v porovnaní s 30 % na suchom (hornom) konci spoja nad potrubím kvapaliny. To naznačuje, že knôt z prostredia šíri poruchu 3- až 5-násobne.

Na zistenie delaminácie spojovacej vrstvy pred katastrofickým kolapsom je potrebné pravidelné elektrické testovanie. Kapacita medzi kovovým jadrom a vonkajšou uzemňovacou elektródou plne prepojeného ohrievača PFA s neporušeným PFA je po celý čas stabilná. V procese delaminácie vzniká na rozhraní vzduchová medzera. Dielektrická konštanta vzduchu je približne 1,0 a dielektrická konštanta PFA je 2,1. Delaminovaná časť sa teda prejavuje ako sekcia s nižšou -kapacitou. Zmerajte kapacitu pozdĺž dĺžky ohrievača buď pomocou segmentovanej externej elektródy alebo preložením jednej elektródovej svorky. Lokalizovaná delaminácia je indikovaná zmenou kapacity väčšej ako 15 % medzi susednými 5 cm sekciami. Ak má ohrievač uzemňovaciu plochu zabudovanú vo vnútri plášťa PFA (bežné pre dizajny s hodnotením bezpečnosti{11}}), zmerajte izolačný odpor medzi kovovým jadrom a uzemňovacou rovinou. Hodnoty klesli zo 100–500 MΩ na 10–50 MΩ počas 6–12 mesiacov, čo naznačuje významnú delamináciu a infiltráciu vlhkosti do medzery.

Variácie v dizajne lepiacej vrstvy a únavovom správaní
Nie všetky spôsoby spájania PFA-na{1}}kov sú rovnako účinné pri teplotnom cykle. Existujú štyri typické konštrukčné stratégie, z ktorých každá využíva inú reakciu na stres nesúladu CTE. Prvý prístup, ktorý je najviac odolný voči únave, kombinuje chemicky leptané kovové jadro so základnou vrstvou modifikovaného PFA s reaktívnymi skupinami (anhydrid kyseliny maleínovej alebo podobné spojovacie činidlá). Základný náter chemicky reaguje s vrstvou oxidu kovu a vytvára kovalentné rozhranie, nielen adhezívne. Táto štruktúra poskytuje 50 000 až 100 000 cyklov životnosti spojovacej vrstvy v šmyku pri ΔT=100 stupni. Druhý prístup zahŕňa mechanické blokovanie, kde je kovové jadro opieskované na drsný povrch (Ra=3–5 µm) a PFA je priamo vytláčané na drsný povrch bez dodatočného lepidla. PFA preniká cez povrchové nerovnosti a spôsobuje mechanické uzamknutie. Tento prístup má za následok únavovú životnosť 20 000-40 000 cyklov, ale zlyhá iným mechanizmom, tj PFA sa skôr vytrhne z nerovností, než aby spojovacia vrstva zlyhala súdržne. Tretia metóda je založená na zvyškovej obručovej kompresii zo zmršťovacieho uloženia teplom zmrštenej PFA rúrky cez hladké kovové jadro bez povrchovej úpravy. Únavová životnosť sa značne líši, od 2 000 do 15 000 cyklov, v závislosti od chemického zloženia lepidla.

Nasledujúca tabuľka ukazuje odhadovanú únavovú životnosť spojovacej vrstvy pre každý spôsob výroby ako funkciu veľkosti tepelného cyklu (AT), maximálnej prevádzkovej teploty a náročnosti chemického prostredia.

Konštrukčná metóda Lepenie Max ΔT na cyklus ( stupeň )