Как несъответствието на термичното разширение между PFA и вътрешната метална сърцевина променя целостта на свързващия слой при термичен цикъл?

Всеки PFA{0}}капсулован потопяем нагревател има метална нагревателна сърцевина, обикновено от Incoloy 825, титан или неръждаема стомана 316, заобиколена от слой PFA. PFA слоят или се екструдира директно върху метала, или се нанася като термо-свита тръба с междинен адхезивен свързващ слой. Този свързващ слой обикновено е с дебелина 0,05–0,20 mm в търговските нагреватели и има две важни функции: пренася топлината от металната сърцевина към външната PFA обвивка и предотвратява разслояването, което може да доведе до навлизане на влага и изтичане на електричество. PFA (100–120 ppm/градус) и металната сърцевина (14–18 ppm/градус) имат коефициент на топлинно разширение (CTE), който се различава с около коефициент шест. Над дължина от 30 cm PFA се стреми да се разшири с 0,8–1,2% повече от металната сърцевина по време на всеки цикъл на нагряване от околна до работна температура (напр. 25 градуса до 150 градуса за киселинни бани с висока температура). Тази разлика в разширението води до циклично напрежение на срязване в повърхността на PFA-метала, фокусирано в краищата на свързаната област. Свързващият слой, често модифициран флуорополимер или промотор на адхезия на базата на силан-, трябва да приеме това циклично напрежение на срязване без повреда (кохезивна или лепкава). Повтарящите се температурни цикли бавно разрушават свързващия слой чрез механизми на умора, като в крайна сметка причиняват локализирано разслояване и преждевременна повреда на нагревателя.

Развитие на напрежението на срязване при повърхността на свързване, причинено от CTE несъответствие.
Разликата в коефициентите на топлинно разширение създава неравномерно поле на напрежение, макар и много локализирано, в краищата на свързаната област. Вземете нагревател с метална сърцевина с дължина 50 см, изцяло покрита с PFA. Свободният (несвързан) PFA ще се удължи с около 0,125 mm на cm дължина (CTE 110 ppm/градус × 125 градуса=0.01375 mm/cm) или 0,69 mm над 50 cm при нагряване от 25 градуса до 150 градуса. Свободната метална сърцевина ще се разшири с 0,020 mm на cm (CTE 16 ppm/градус × 125 градуса=0.002 mm/cm) или 0,10 mm над 50 cm. Тази разлика от 0,59 mm трябва да бъде компенсирана чрез деформация на срязване на свързващия слой. За свързващ слой с дължина 50 cm средната деформация на срязване е само 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12%), което е незначително. Свързващият слой обаче не е равномерно деформиран по дължината си. В средата на залепената зона PFA и металът са принудени да пътуват заедно и относителното изместване е нула. Краищата на свързаната област трябва да издържат на всички 0,59 mm диференциално разширение на кратко разстояние-обикновено 2-5 mm от края на връзката. Това води до коефициент на концентрация в деформацията на срязване от 50 до 100 пъти по-голяма от типичната деформация. Моделирането с крайни елементи на конвенционален PFA-нагревател върху метал със свързващ слой с дебелина 0,10 mm предвижда пикови напрежения на срязване от порядъка на 15-25% в краищата на свързване за повишаване на температурата от 125 градуса.

За повечето модифицирани флуорополимерни лепила, деформация на срязване от 15-25 % в свързващия слой се равнява на напрежение на срязване от 3-6 MPa на базата на модула на срязване (около 20-30 MPa в гумено състояние над температурата на встъкляване). Това ниво на напрежение е по-ниско от крайната якост на срязване на прясно нанесен свързващ слой (обикновено 8–12 MPa). Свързващият слой преживява един топлинен цикъл. Въпреки това, същото пиково напрежение на срязване се повтаря всеки цикъл, причинявайки повреда от умора. Животът на умора на свързващия слой може да бъде описан със степенен закон: Nf=A × (σshear)−b, където b обикновено е между 5 и 8 за флуорополимерни лепила. Напрежение от 5 MPa може да причини повреда при 10 000 цикъла, но напрежение от 3 MPa може да осигури живот над 50 000 цикъла. На практика това означава, че нагреватели, които работят с колебание на температурата от 125 градуса (напр. . 25 градуса до 150 градуса ), ще имат живот на умора на свързващия слой от 5000-15 000 цикъла, но нагревател с колебание от 60 градуса (напр. . 30 градуса до 90 градуса ) ще издържи 40 000-100 000 цикли.

Механизми и откриване на разпространение на разслояване
След като увреждането от умора започне в краищата на връзката, разслояването се разпространява навътре по границата по два пътя. Първият механизъм е циклична умора при срязване. Във всеки топлинен цикъл се прилага същото разпределение на деформацията на срязване и фронтът на пукнатината се разпространява с 10-50 $\\mu$m на цикъл в зависимост от коефициента на интензитет на напрежението при върха на пукнатината. Тъй като разслояването се развива по-дълго, свързаната дължина става по-къса и напрежението на срязване в новия връх на пукнатината се увеличава, тъй като общото диференциално изместване трябва да се приспособи към по-къса оставаща дължина на връзката. Тази положителна обратна връзка увеличава разпространението: разслояване, развито до 10% от цялата дължина на връзката, изпитва деформации на срязване на върха на пукнатината с 10–20% по-високи от първоначалния край на връзката, което го кара да се разпространява по-бързо. Вторият метод е атака срещу околната среда. При корозивни услуги като киселинни бани, разяждащи почистващи разтвори или мокри хлорни настройки, агресивната среда се вкарва в разслояващата междина чрез капилярно действие. Химическият вид атакува или самия свързващ слой, или повърхността на металната сърцевина, променяйки разслояването от чисто механична умора на пукнатина в пукнатина, подпомагана от корозия. Анализът на повреди на място на PFA нагреватели, използвани в полупроводникови мокри стендове, показва, че 70% от разслояващите се повреди са в краищата на свързване, изложени на технологичната течност, в сравнение с 30% в сухия (горен) край на свързване над линията на течността. Това показва, че изпичането на околната среда разпространява повредата с коефициент 3-5.

Необходими са периодични електрически тестове за откриване на разслояване на свързващия слой преди катастрофално срутване. Капацитетът между металната сърцевина и външния заземен електрод на напълно свързан PFA нагревател с непокътнат PFA е постоянен през цялото време. В процеса на разслояване се генерира въздушна междина на интерфейса. Диелектричната константа на въздуха е приблизително 1,0, а тази на PFA е 2,1. По този начин разслоената част се проявява като секция с по-нисък-капацитет. Измерете капацитета по дължината на нагревателя или с помощта на сегментиран външен електрод, или чрез транслиране на единична електродна скоба. Локализираното разслояване се показва от промяна на капацитета с повече от 15% между съседни секции от 5 cm. Ако нагревателят има заземяваща равнина, вградена вътре в обвивката от PFA (често срещано за дизайни с-оценка на безопасност), измерете изолационното съпротивление между металната сърцевина и заземяващата равнина. Стойностите спаднаха от 100–500 MΩ до 10–50 MΩ за 6–12 месеца, което показва значително разслояване и проникване на влага в празнината.

Вариации в дизайна на свързващия слой и поведението при умора
Не всички подходи за свързване на PFA-към-метала са еднакво ефективни при температурни цикли. Има четири типични строителни стратегии, всяка от които използва различен отговор на стреса от несъответствието на CTE. Първият, най-устойчив на умора, подход комбинира химически гравирана метална сърцевина с първичен слой от модифициран PFA с реактивни групи (малеинов анхидрид или подобни свързващи агенти). Грундът реагира химически със слоя от метален оксид, за да създаде ковалентен интерфейс, а не просто адхезивен. Тази структура дава 50 000 до 100 000 цикъла на живот на умора на срязване на свързващия слой при ΔT=100 степен. Вторият подход включва механична блокировка, при която металната сърцевина се обработва с пясъкоструйна обработка до грапава повърхност (Ra=3–5 µm) и PFA се екструдира директно върху грапавата повърхност без допълнително лепило. PFA прониква в неравностите на повърхността, причинявайки механично заключване. Този подход води до живот на умора от 20 000-40 000 цикъла, но се проваля по различен механизъм, т.е. PFA се изтръгва от неравностите, вместо свързващият слой да се разрушава кохезивно. Третият метод се основава на остатъчна компресия на обръч от свиване на топлинно свита PFA тръба върху гладка метална сърцевина без повърхностна обработка. Издръжливостта на умора варира значително, от 2000 до 15 000 цикъла, в зависимост от химическия състав на лепилото.

Следващата таблица показва очаквания живот на умора на свързващия слой за всеки метод на производство като функция от величината на термичния цикъл (ΔT), максималната работна температура и тежестта на химическата среда.

Метод на конструиране Слепване Макс. ΔT на цикъл (градус)