Jak nesoulad tepelné roztažnosti mezi PFA a vnitřním kovovým jádrem změní integritu spojovací vrstvy při tepelném cyklování?

Každý zapouzdřený ponorný ohřívač PFA{0}}má kovové topné jádro, obvykle z Incoloy 825, titanu nebo nerezové oceli 316, obklopené vrstvou PFA. Vrstva PFA je buď vytlačována přímo na kov, nebo je aplikována jako teplem smrštitelná trubice- s mezilehlou adhezivní spojovací vrstvou. Tato spojovací vrstva má obvykle tloušťku 0,05–0,20 mm u komerčních ohřívačů a má dvě důležité funkce: přenáší teplo z kovového jádra do vnějšího pláště PFA a zabraňuje delaminaci, která může vést k pronikání vlhkosti a elektrickému úniku. PFA (100–120 ppm/stupeň) a kovové jádro (14–18 ppm/stupeň) mají koeficient tepelné roztažnosti (CTE), který se liší přibližně o faktor šest. Na délku 30 cm se PFA snaží expandovat o 0,8–1,2 % více než kovové jádro během každého zahřívacího cyklu z okolní na pracovní teplotu (např. 25 stupňů až 150 stupňů pro vysokoteplotní kyselé lázně). Tento rozdíl v expanzi vede k cyklickému smykovému napětí na PFA-kovovém rozhraní, soustředěnému na koncích spojené oblasti. Spojovací vrstva, často modifikovaný fluoropolymer nebo promotor adheze na bázi silanu, musí přijmout toto cyklické smykové napětí bez porušení (kohezivní nebo lepkavé). Opakované teplotní cykly pomalu ničí spojovací vrstvu únavovými mechanismy, což nakonec způsobí lokalizovanou delaminaci a předčasné selhání ohřívače.

Vývoj smykového napětí na rozhraní spojování způsobené nesouladem CTE.
Rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti vytváří nerovnoměrné pole napětí, i když velmi lokalizované, na koncích lepené oblasti. Vezměte ohřívač s 50 cm dlouhým kovovým jádrem zcela uzavřeným PFA. Volný (nespojený) PFA by se prodloužil přibližně o 0,125 mm na cm délky (CTE 110 ppm/stupeň × 125 stupňů=0.01375 mm/cm) nebo 0,69 mm přes 50 cm při zahřátí z 25 stupňů na 150 stupňů. Volné kovové jádro by expandovalo o 0,020 mm na cm (CTE 16 ppm/stupeň × 125 stupňů=0.002 mm/cm) nebo o 0,10 mm na 50 cm. Tento rozdíl 0,59 mm musí být vyrovnán smykovou deformací spojovací vrstvy. Pro spojovací vrstvu o délce 50 cm je průměrné smykové napětí pouze 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12 %), což je nevýznamné. Spojovací vrstva však není po své délce rovnoměrně deformována. Uprostřed lepené oblasti jsou PFA a kov nuceny cestovat společně a relativní posunutí je nulové. Konce lepené oblasti musí zvládnout celých 0,59 mm rozdílové roztažnosti na krátkou vzdálenost-obvykle 2-}5 mm od konce spoje. To má za následek koncentrační faktor ve smykovém přetvoření 50 až 100násobku typického přetvoření. Modelování konečných prvků konvenčního PFA-kovového ohřívače s 0,10 mm silnou spojovací vrstvou předpovídá špičková smyková napětí řádově 15-25 % na koncích spoje pro nárůst teploty o 125 stupňů.

U většiny modifikovaných fluoropolymerových lepidel se smykové napětí 15-25 % ve spojovací vrstvě rovná smykovému napětí 3-6 MPa, vztaženo na smykový modul (asi 20-30 MPa v kaučukovitém stavu nad teplotou skelného přechodu). Tato úroveň napětí je nižší než mezní pevnost ve smyku čerstvě nanesené spojovací vrstvy (obvykle 8–12 MPa). Spojovací vrstva přežije jediný tepelný cyklus. Nicméně stejné maximální smykové napětí se opakuje v každém cyklu, což způsobuje únavové poškození. Únavovou životnost spojovací vrstvy lze popsat mocninným zákonem: Nf=A × (σsmyk)−b, kde b je běžně mezi 5 a 8 pro fluoropolymerová lepidla. Napětí 5 MPa může způsobit selhání při 10 000 cyklech, ale napětí 3 MPa může způsobit životnost po 50 000 cyklech. V praxi to znamená, že ohřívače, které pracují s teplotním výkyvem 125 stupňů (např. . 25 stupňů až 150 stupňů ), budou mít únavovou životnost spojovací vrstvy 5 000–15 000 cyklů, ale ohřívač s výkyvem 60 stupňů (např. . 30 stupeň až 90 stupňů,000,0 cyklus) vydrží 40 cyklů

Mechanismy a detekce šíření delaminace
Jakmile únavové poškození začne na koncích vazby, šíří se delaminace dovnitř podél rozhraní dvěma cestami. Prvním mechanismem je cyklická smyková únava. V každém tepelném cyklu je aplikováno stejné rozložení smykové deformace a čelo trhliny se šíří 10-50 $\\mu$m za cyklus v závislosti na faktoru intenzity napětí na špičce trhliny. Jak se delaminace prodlužuje, délka spoje se zkracuje a smykové napětí na špičce nové trhliny se zvyšuje, protože celkový rozdílový posun se musí přizpůsobit kratší zbývající délce spoje. Tato pozitivní zpětná vazba zvyšuje šíření: u delaminace vyvinuté na 10 % celé délky vazby dochází ke smykové deformaci špičky trhliny o 10–20 % vyšším než na počátečním konci vazby, což způsobuje její rychlejší šíření. Druhým způsobem je útok na okolí. V korozivních provozech, jako jsou kyselé lázně, žíravé čisticí roztoky nebo mokré chlórové nastavení, je agresivní médium nasáváno do delaminační mezery kapilárním působením. Chemické látky napadají buď samotnou spojovací vrstvu nebo povrch kovového jádra a mění delaminaci z čistě mechanického únavového lomu na trhlinu podporovanou korozí. Analýza selhání ohřívačů PFA používaných v polovodičových mokrých stolicích ukazuje, že 70 % poruch delaminace je na koncích spojů vystavených procesní kapalině ve srovnání s 30 % na suchém (horním) konci spoje nad vedením kapaliny. To ukazuje, že vzlínání prostředí propaguje selhání faktorem 3-5.

Pro detekci delaminace spojovací vrstvy před katastrofickým kolapsem je vyžadováno pravidelné elektrické testování. Kapacita mezi kovovým jádrem a vnější zemnící elektrodou plně připojeného ohřívače PFA s neporušeným PFA je po celou dobu stabilní. V procesu delaminace vzniká na rozhraní vzduchová mezera. Dielektrická konstanta vzduchu je zhruba 1,0 a dielektrická konstanta PFA je 2,1. Delaminovaná část se tedy projevuje jako sekce s nižší -kapacitou. Změřte kapacitu podél délky ohřívače buď pomocí segmentované externí elektrody, nebo posunutím jedné svorky elektrody. Lokalizovaná delaminace je indikována změnou kapacity větší než 15 % mezi sousedními 5 cm sekcemi. Pokud má ohřívač zemnící plochu zapuštěnou uvnitř pláště PFA (běžné pro provedení s hodnocením bezpečnosti{11}}), změřte izolační odpor mezi kovovým jádrem a zemnicí plochou. Hodnoty klesly ze 100–500 MΩ na 10–50 MΩ během 6–12 měsíců, což ukazuje na významnou delaminaci a infiltraci vlhkosti do mezery.

Variace v designu vazební vrstvy a únavovém chování
Ne všechny způsoby lepení PFA-na{1}}kov jsou stejně účinné při cyklování teplot. Existují čtyři typické konstrukční strategie, z nichž každá využívá jinou reakci na stres z nesouladu CTE. První přístup, který je nejvíce odolný proti únavě, kombinuje chemicky leptané kovové jádro se základní vrstvou modifikovaného PFA s reaktivními skupinami (anhydrid kyseliny maleinové nebo podobná vazebná činidla). Základní nátěr chemicky reaguje s vrstvou oxidu kovu a vytváří kovalentní rozhraní, nikoli pouze adhezivní. Tato struktura poskytuje 50 000 až 100 000 cyklů únavové životnosti spojovací vrstvy ve smyku při ΔT=100 stupni. Druhý přístup zahrnuje mechanické blokování, kdy se kovové jádro pískuje na drsný povrch (Ra=3–5 µm) a PFA se přímo vytlačuje na drsný povrch bez dalšího lepidla. PFA proniká do povrchových nerovností a způsobuje mechanické zablokování. Tento přístup má za následek únavovou životnost 20 000-40 000 cyklů, ale selhává jiným mechanismem, tj. PFA se vytrhne z nerovností a ne kohezivně selže spojovací vrstva. Třetí metoda je založena na zbytkovém obručovém stlačení ze smršťovacího uložení teplem smrštitelné PFA trubky přes hladké kovové jádro bez povrchové úpravy. Únavová životnost se velmi liší, od 2 000 do 15 000 cyklů, v závislosti na chemii lepidla.

Následující tabulka ukazuje odhadovanou únavovou životnost spojovací vrstvy pro každý způsob výroby jako funkci velikosti tepelného cyklu (AT), maximální provozní teploty a náročnosti chemického prostředí.

Konstrukční metoda Lepení Max ΔT na cyklus ( stupeň )