Как да се предвиди началото на крекинг от стрес в околната среда в PFA, когато е изложен на Piranha при 120 градуса?

Един от най-тежките химически почистващи препарати за полупроводниково и аналитично оборудване е разтворът на пирана, който е смес от концентриран H2SO4 и H2O₂, обикновено 3:1 до 7:1. В зависимост от степента на напрежение, PFA претърпява напукване под въздействието на околната среда (ESC) при 120 градуса за няколко часа до дни. При 120 градуса критичното напрежение за ESC в Piranha е 0,5–1,5 MPa, което е значително по-малко от границата на провлачване на PFA (12–15 MPa). Напукване ще бъде резултат от всяко остатъчно напрежение при производство (охлаждане, навиване, монтаж), което е по-голямо от 1 MPa. Формулата за времето до началото на напукване е t_crack=A × σ^(-n) × exp(E_a/RT), където n ≈ 3–4 и E_a ≈ 60–80 kJ/mol. Напукването започва след 1–10 часа за типичен нагревател с остатъчно напрежение от 3 MPa. Измерването на остатъчното напрежение (използване на кривината на прорезните пръстени) и използването на ESC модела са необходими за прогнозиране на началото. Използвайте-монтаж без напрежение и отгряване (150 градуса, 4 часа + 220 градуса, 6 часа), за да премахнете останалото напрежение за услугата Piranha.

ESC механизъм на Piranha
Разтворът на Piranha е мощен дехидрататор (H₂SO₄) и окислител (H₂O₂ произвежда хидроксилни радикали). Чрез разрушаване на C-F връзки и създаване на хидроксилни и карбонилни групи, той се насочва към аморфните области на PFA. Влошените участъци се напукват и счупват при напрежение на опън. Тъй като разтворът продължава да окислява върха на пукнатината, пукнатината се разпространява бързо. Piranha намалява критичното напрежение до по-малко от 1,5 MPa, за разлика от обикновените киселини, където ESC се случва при 3–5 MPa. С течение на времето може да се получи напукване дори от теглото на нагревателя, окачен на фланец (напрежение на огъване 0,5–1 MPa).

Температурата има изключителен фактор на ускорение: t_crack е 1–10 часа при 120 градуса. t_crack е 50–200 часа (20 пъти по-бавно) при 100 градуса. t_crack е 500–2000 часа (200 пъти по-бавно) при 80 градуса. За оптимална почистваща ефективност, piranha обикновено се използва около 120 градуса, което е близо до границата на PFA.

Стрес срещу. Време за начало на напукване (Piranha 3:1, 120 градуса)
Приложено напрежение (MPa), време на възникване на пукнатини (часове), скорост на разпространение на пукнатини (mm/час) и предложение за режим на повреда
0.2 >500 (нечесто)<0.01Only 0.5 200–500 0.01–0.05 annealed heaters with no crackingFine crazing is acceptable for brief exposure.
1.0 50–150 0.05–0,2Пукнатини, които са видими Незначителни 1.5 10–30 0.2–0,5Няколко пукнатини Неприемливо 2.0 3–8 0.5–1,0 Бързо напукване Отхвърляне 3,0 (обичайно остатъчно) 1–3 1–2 Моментална повреда Неизползваемо
5.0 <0.5 >5 Катастрофално Никога не излагайте Използване на измерване на остатъчния стрес за прогнозиране на началото
За да определите дали определен нагревател ще издържи на излагане на пирани:

Изрежете пръстен от PFA обвивката (от жертвена секция или нагревател за скрап), който е дълъг 10–20 mm.

Ако срежете пръстена аксиално, остатъчното напрежение ще го накара да се отвори в извита форма.

Изчислете радиуса на кривина (R_крива) в милиметри. Остатъчно напрежение σ_res=E × t / (2 × R_крива), където t=дебелина на стената (mm) и E=500 MPa (при 120 градуса). σ_res=500 × 2 / (200)=5 MPa е твърде високо за 2 mm стена с R_крива=100 mm. σ_res=500 × 2 / 600=1.7 MPa е пределно за R_крива=300 mm. σ_res < 1 MPa е приемливо за R_крива > 500 mm (почти права).

Използвайте очакваното време: t_crack=200 × (1 / σ_res)^3 часа за σ_res в MPa (емпирично съответствие). t_crack=200 × (0,67)^3=200 × 0.30=60 часа за σ_res=1.5 MPa. t_crack=200 × (0,33)^3=200 × 0.036=7 часа за σ_res=3 MPa.

Смекчаване на услугата Piranha
Сервизните нагреватели Piranha изискват специална подготовка:

Отгряване: остатъчното напрежение е намалено до по-малко от 1 MPa при 150 градуса /4 часа + 220 градуса /6 часа (вижте членове #20 и #99). В резултат на това при 120 градуса t_crack нараства от един час на петдесет до двеста часа.

Монтаж без{0}}напрежение: За да предотвратите добавянето на напрежение при огъване при монтажа, използвайте гъвкави връзки (маркуч с оплетка).

Намалете температурата: За 20 пъти по-дълъг живот, пуснете Piranha на 100 градуса вместо на 120 градуса. Сменяйте по-рядко, но почиствайте по-бавно.

По-дебела стена: 3 mm стена предлага повече материал за счупване и по-добре разпределя напрежението. t_crack се мащабира като t^2.

Използвайте кварцов нагревател, тъй като кварцът може да издържи 120 градуса за неопределено време и е инертен за пирани. Въпреки че кварцът може да се използва като нагревателен елемент, PFA фитингите все още могат да се използват за връзки. Най-надеждният вариант е този.

Пример в полето
Разтворът на Piranha се нагрява до 120 градуса в лаборатория за полупроводници, като се използва специално проектиран PFA нагревател. След два часа първоначална употреба, нагревателят се счупи. При 4 MPa беше записано остатъчно напрежение. Беше заменен с кварцов нагревател (без обвивка, с PFA-покрити проводници) в лабораторията. Кварцовият нагревател не се спука повече от пет години. Въпреки че кварцовият нагревател беше по-скъп (1200) от PFA (600), рискът от повреда беше премахнат. Независимо от отгряването, лабораторията установи, че PFA е неподходящ за 120 градусова пираня.

Заключение: ESC at<1.5 MPa Stress Is Caused by Piranha at 120°C
При 120 градуса разтворът на Piranha (H₂SO₄+H₂O₂) индуцира напукване под въздействието на околната среда в PFA при приложени деформации до 0,5–1,5 MPa, което е далеч под границата на провлачване на полимера. В рамките на 1–10 часа остатъчното производствено напрежение (обикновено 3–6 MPa) причинява напукване. Въпреки че отгряването удължава живота до 50–200 часа чрез намаляване на остатъчното напрежение до по-малко от 1 MPa, то все още не е надеждно за дългосрочна-използване. Използвайте кварцов нагревател за редовно нагряване на Piranha на 120 градуса. Закаленият PFA с-монтаж без напрежение може да бъде подходящ за рядка употреба или по-ниски температури (По-малко или равно на 100 градуса). Стресираният PFA е разбит от жестоката пираня. Отървете се от стреса или се отървете от PFA. За спокойствие изберете кварц. В Piranha PFA е рисковано. Рискът се намалява, но не се елиминира напълно чрез отгряване. Когато се съмнявате, изберете кварц.