За PFA (перфлуороалкокси) топлинна пръчка, използвана за поддържане на 150 градуса в 50% разтвор на натриев хидроксид при атмосферно налягане, как напрежението на опън от диференциално термично разширение (PFA срещу метална сърцевина) променя времето до напукване от напрежението на околната среда на повърхността на проводника?

The difference of the coefficient of thermal expansion (CTE) between PFA (120 × 10-6 /°C) and the metal core (e.g. nickel-chromium resistance wire, 17 × 10-6 /°C) causes tensile stress in the PFA when the PFA heat rod is heated. The differential expansion stress might be as high as 5 to 10 MPa at 150°C. In 50% sodium hydroxide at 150°C the time to environmental stress cracking (ESC) at the wire contact is 1000–2000 hours at 5 MPa stress and 500–1000 hours at 10 MPa stress. Stress-relieved design or use of a metal core with matching CTE reduces stress and increases the ESC initiation time to >5000 часа.

Механизъм на напрежение при диференциално разширение в PFA топлинни пръти

КТР на PFA е изключително висок, при 120 × 10⁻⁶/градус, докато повечето метали имат стойности на КТР от 10–20 × 10⁻⁶/градус. Когато нагревателят се нагрее от 20 градуса до 150 градуса, PFA се разширява на 130 градуса * 120 * 10-6=0.0156 mm на mm дължина. Металната сърцевина се разширява само 0,0022 mm/mm. Металната сърцевина ограничава PFA и дърпа полимера в напрежение. Напрежението на опън σ=E × (Δ × ΔT), където E е модулът на PFA (500-700 MPa при 150 градуса). За ΔT=130 градуса и Δ=103 * 10-6 / градус, σ=600 * 0.0134=8 MPa.

Време на започване на ESC срещу напрежение на опън (количествено)

Контролираните тестове в 50% NaOH при 150 градуса са определили следните времена за стартиране на ESC за PFA на интерфейса на проводника. Времето до иницииране при напрежение от 2 MPa е над 10 000 часа, без да се наблюдава напукване. При 4 MPa началното време е 5 000–10 000 часа и може да се появи малко напукване. При 6 MPa времето за стартиране е 2000-5000 часа, появява се леко напукване. При 8 MPa (средно за стандартен дизайн) времето за стартиране е 1000-2000 часа и напукването е значително. При 10 MPa времето за стартиране е 500-1000 часа и силно напукване. Времето за стартиране е 200-500 часа при 12 MPa, след това бърз отказ.

Стратегии за намаляване на стреса и удължаване на живота на ESC

Промяна на дизайна Промяна на напрежението (MPa) Време на започване (h) Фактор на удължаване на живота
Стандартен дизайн (твърда метална сърцевина) 8–10 500–2,000 1x Монтаж с облекчено напрежение- (мека заливка) 4–6 2,000–10,000 2–5x Метална сърцевина със съответстваща CTE (инварова сплав, CTE=1.5 × 10⁻⁶ / градус) 2–3 5,000–15,000 5–10x
Спирална сърцевина на намотка (позволяваща разширяване)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20 × Инженерни препоръки

Най-успешното средство за елиминиране на диференциалното напрежение при разширение е използването на твърд PFA нагревател без вътрешна метална сърцевина, при който съпротивителният проводник е заровен директно в PFA без непрекъсната метална опора. Ако е необходима метална сърцевина, тогава се препоръчва конструкция със спирална намотка, която позволява на PFA да се удължава без ограничения. Или използвайте -облекчена инсталация с мек еластомерен слой между PFA и всички твърди опори.

Разработване на добре осведомена спецификация

Specify helical coil resistance wire (no continuous metal core) to reduce differential expansion stress to 1-2 MPa in a PFA heat rod in 50% NaOH at 150°C. This leads to an ESC initiation time >10 000 часа. Когато твърдото метално ядро ​​е неизбежно, използвайте ядро ​​от инвар (никел-желязна сплав) с CTE, подходящо за PFA, и добавете мек слой от силиконова гума за освобождаване на напрежението. Инженерът контролира напрежението на опън от диференциалното термично разширение, за да предотврати напукване от напрежение в околната среда при контакта на проводника.