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?

PFA (120 × 10{2}}6 / градус) има различен коефициент на топлинно разширение (CTE) от металната сърцевина (обикновено никел-хромова съпротивителна жица, 17 × 10-6 / градус) в PFA топлинна пръчка, която развива напрежение на опън в PFA по време на нагряване. Диференциалното напрежение при разширение може да бъде 5-10 MPa при 150 °C. В 50% натриев хидроксид при 150 градуса времето до напукване при напрежение от околната среда (ESC) на интерфейса на проводника е 1000-2000 часа при напрежение 5 MPa и 500-1000 часа при напрежение 10 MPa. Улесненият дизайн или металната сърцевина със съответстващ CTE намалява напрежението и удължава времето за иницииране на ESC до > 5000 часа.

Механизъм на диференциално напрежение на разширение в PFA топлинни пръти

PFA има много висок КТР от около 120 × 10-6/ градус, докато повечето метали имат КТР в диапазона от 10–20 × 10-6/ градус. Ако нагревателят се нагрее от 20 градуса до 150 градуса, PFA се разширява 130 градуса × 120 × 10-6=0.0156 mm на mm дължина. Металната сърцевина се разширява само 0,0022 mm/mm. Металното ядро ​​ограничава PFA и поставя полимера под напрежение. Напрежението на опън σ=E × (Δ × ΔT), където E е модулът на PFA (500–700 MPa при 150 градуса). За Δ T=130 градус, Δ =103×10-6/ градус, σ=600×0.0134=8 MPa

Количествено време на започване на ESC като функция от напрежението на опън

Следните начални времена на ESC за PFA при контакта на проводника са установени чрез контролирано изпитване в 50% NaOH при 150 градуса. При напрежение от 2 MPa времето за започване е повече от 10 4 h и не се наблюдава напукване. Времето до иницииране при 4 MPa е 5 000 до 10 000 часа с минимално възможно напукване. При 6 MPa времето за стартиране е 2000-5000 часа и възниква значително напукване. Времето за иницииране е 1000-2000 часа при стандартни проектни условия (8 MPa) и напукването е значително. При 10 MPa времето за стартиране е 500-1000 часа и настъпва значително напукване. При 12 MPa времето за иницииране е 200-500 часа и настъпва бърза повреда.

ESC Техники за удължаване на живота и намаляване на стреса

Промяна на дизайна Разработено напрежение (MPa) ESC Време за започване (час) Фактор на удължаване на живота
Стандартен дизайн (твърда метална сърцевина) 8-10 500-2,000 1× Монтаж с по-малко напрежение (мека заливка) 4-6 2,000-10,000 2-5× Метална сърцевина със съвпадаща КТР (инварова сплав, КТР=1.5 x 10-6 / градус) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Сърцевина със спирална намотка (разширяема)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20 × Инженерни препоръки

Най-доброто решение за премахване на напрежението при диференциално разширение е да се използва твърд PFA нагревател без вътрешна метална сърцевина, където съпротивителният проводник се имплантира директно в PFA без непрекъсната метална опора. Ако е необходима метална сърцевина, може да се използва дизайн на спирална намотка, за да се позволи свободно разширяване на PFA. Или използвайте -облекчена стойка с мек еластомерен слой между PFA и всички твърди опори.

Уточняване с увереност

Съпротивителен проводник със спирална намотка (без непрекъсната метална сърцевина) за топлинен прът от PFA в 50% NaOH при 150 градуса. Диференциално напрежение при разширение 1-2 MPa. Това увеличава началното време на ESC до > 10 000 часа. Ако твърдото метално ядро ​​е неизбежно, посочете ядро ​​от Invar (сплав от никел и желязо) с CTE, подходящо за PFA, и добавете слой за освобождаване на напрежението от мек силициев каучук. Инженерът управлява напрежението на опън, дължащо се на диференциалното термично разширение, за да избегне напукване на напрежението в околната среда на интерфейса на проводника.