Iga PFA{0}}kapseldatud sukelsoojendi sisaldab metallist kuumutussüdamikku-tavaliselt Incoloy 825, titaanist või roostevabast terasest 316-, mis on ümbritsetud PFA kihiga, mis kas ekstrudeeritakse otse metallile või kantakse soojuse{18}}vahekahaneva kihina. See sidekiht, mille paksus on enamikus kaubanduslikes kütteseadmetes vaid 0,05–0,20 mm, täidab kahte kriitilist funktsiooni: see kannab soojust metallsüdamikust PFA väliskestale ja hoiab ära kihistumise, mis võimaldaks niiskuse sissepääsu ja elektrilekkeid. PFA (100–120 ppm/kraadi) ja metallsüdamiku (14–18 ppm/kraadi) soojuspaisumistegurid (CTE) erinevad ligikaudu kuue võrra. Iga kuumutamistsükli jooksul ümbritsevast keskkonnast töötemperatuurini (nt 25 kraadist 150 kraadini kõrge temperatuuriga happevannide puhul) püüab PFA 30 cm pikkuse ulatuses paisuda 0,8–1,2% rohkem kui metallsüdamik. See diferentsiaalne laienemine tekitab PFA{25}}metalli liideses tsüklilise nihkepinge, mis on koondunud seotud piirkonna otstesse. Sidekiht -tüüpiliselt on modifitseeritud fluoropolümeeril või silaanil{27}}põhine adhesioonipromootor – peab taluma seda tsüklilist nihkepinget ilma ühtsuse või kleepumiseta. Korduv termiline tsükkel lagundab järk-järgult sidekihti väsimusmehhanismide kaudu, põhjustades lõpuks lokaalse delaminatsiooni ja kütteseadme enneaegse rikke.
CTE Mismatchi nihkepinge arendamine liimimisliideses
Soojuspaisumise ebakõla ei loo mitte ühtlast pingevälja, vaid tugevalt lokaliseeritud pingevälja, mis on koondunud seotud piirkonna otstesse. Mõelge kütteseadmele, mille metallist südamiku pikkus on 50 cm ja mis on täielikult kapseldatud PFA-ga. Kuumutamisel 25 kraadilt 150 kraadini pikeneb vaba (ühendamata) PFA umbes 0,125 mm pikkuse sentimeetri kohta (CTE 110 ppm/kraadi × 125 kraadi=0.01375 mm/cm), kokku 0,69 mm 50 cm kohta. Vaba metallsüdamik pikeneb 0,020 mm/cm (CTE 16 ppm/kraadi × 125 kraadi=0.002 mm/cm), kokku 0,10 mm 50 cm kohta. Erinevus 0,59 mm tuleb arvestada sidekihi nihkedeformatsiooniga. Kogu 50 cm pikkuse sidekihi puhul oleks keskmine nihkepinge vaid 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12%), mis on tühine. Kuid sidekiht ei deformeeru kogu pikkuses ühtlaselt. Seotud piirkonna keskel on PFA ja metall sunnitud koos liikuma, seega on suhteline nihe null. Liimitud piirkonna otstes peab kogu 0,59 mm diferentsiaalpaisumine jääma lühikese vahemaa, -tavaliselt 2–5 mm kaugusele sideme otsast. See loob nihkepinge kontsentratsiooniteguri, mis on 50–100 korda suurem kui keskmine deformatsioon. Tüüpilise 0,10 mm paksuse sidekihiga PFA-on-metallisoojendi lõplike elementide modelleerimine ennustab 125-kraadise temperatuuritõusu korral nihkepingete tippväärtusi sidemete otstes 15–25%.
Nihkepinge 15–25% sidekihis vastab enamiku modifitseeritud fluoropolümeerliimide nihkepingele 3–6 MPa, võttes aluseks nende nihkemooduli (umbes 20–30 MPa kummises olekus üle klaasistumistemperatuuri). See pingetase on madalam kui värskelt pealekantud sidekihi nihketugevus (tavaliselt 8–12 MPa). Ühe termilise tsükli korral jääb sidekiht ellu. Kuid iga tsükkel rakendab korduvalt sama tippnihkepinget, põhjustades väsimuskahjustusi. Sidekihi väsimuse kestus järgib jõuseaduse seost: N_f=A × (σ_shear)^(-b), kus b on fluoropolümeerliimide puhul tavaliselt vahemikus 5 kuni 8. 5 MPa pinge võib põhjustada rikke 10 000 tsükli korral, samas kui 3 MPa pinge võib pikendada eluiga üle 50 000 tsükli. Praktiline tagajärg on see, et 125 kraadise temperatuuri kõikumisega (nt 25 kuni 150 kraadi) töötavate küttekehade ühenduskihi väsimuse kestus on 5000–15 000 tsüklit, samas kui 60 kraadise pöördega (nt 30 kuni 90 kraadi) küttekehadel on 40 000–100 tsüklit.
Delaminatsiooni leviku mehhanismid ja tuvastamine
Kui sideme otstes tekib väsimuskahjustus, levib delaminatsioon piki liidest sissepoole kahe mehhanismi kaudu. Esimene mehhanism on tsükliline nihkeväsimus. Iga termiline tsükkel rakendab sama nihkejõu jaotust, suurendades pragude esiosa tsükli kohta 10–50 µm võrra, sõltuvalt prao tipu pinge intensiivsuse tegurist. Kui delaminatsioon pikeneb, lüheneb sideme pikkus ja nihkepinge uues praootsas suureneb, kuna sama summaarne diferentsiaalne nihe tuleb arvestada lühema ülejäänud sideme pikkusega. See positiivne tagasiside kiirendab levikut: delaminatsioonil, mis on kasvanud 10%-ni sideme kogupikkusest, tekib pragude otsa nihkepinge, mis on 10–20% suurem kui sideme esialgne ots, mistõttu see levib kiiremini. Teine mehhanism on keskkonnarünnak. Söövitavates töödes-happevannides, söövitavates puhastuslahustes või niiskes kloorikeskkonnas{12}}imbub agressiivne keskkond kapillaaride toimel delaminatsioonipilusse. Keemilised osad ründavad kas otse sidekihti või metallist südamiku pinda, muutes puhtmehaanilisest väsimuspraost tekkinud delaminatsiooni korrosiooni{14}}abiga praguks. Pooljuhtpinkide PFA-soojendite väljatõrkeanalüüs näitab, et 70% delaminatsioonitõrgetest ilmnevad sideme otstes, mis puutuvad kokku protsessi vedelikuga, samas kui ainult 30% esineb kuivas (ülemises) sideme otsas vedelikujoone kohal, mis näitab, et keskkonna imbumine kiirendab levikut 3–5 korda.
Sidekihi delaminatsiooni tuvastamine enne katastroofilist riket nõuab perioodilist elektrilist testimist. Terve PFA-ga täielikult ühendatud PFA-soojendi näitab metallsüdamiku ja kestast väljapoole paigutatud maanduselektroodi vahelist mahtuvust, mis jääb aja jooksul stabiilseks. Delaminatsiooni edenedes tekib liidesele õhupilu. Õhu dielektriline konstant on ligikaudu 1,0, võrreldes PFA 2,1-ga. Delamineeritud piirkond näib seega madalama -mahtuvuse sektsioonina. Mõõtke mahtuvus piki küttekeha pikkust segmenteeritud välise elektroodi või ühe elektroodi klambri liigutamise abil. Mahtuvuse kõikumine külgnevate 5 cm pikkuste segmentide vahel üle 15% viitab lokaalsele delaminatsioonile. PFA-ümbrisesse manustatud maandusplaadiga kütteseadmete puhul (tavaline ohutus{12}}konstruktsioonides) mõõtke metallsüdamiku ja alusplaadi vahelist isolatsioonitakistust. Algväärtused 100–500 MΩ, mis langevad 6–12 kuu jooksul 10–50 MΩ-ni, näitavad progresseeruvat delaminatsiooni koos niiskuse sisenemisega pilusse.
Liimimiskihi disaini variatsioonid ja nende väsimus
Mitte kõik PFA{0}}--metallide sidumismeetodid ei toimi termilise tsükli korral võrdselt. On olemas neli tavalist ehitustehnikat, millest igaühel on erinev reaktsioon CTE mittevastavuse stressile. Esimene ja kõige väsimuskindlam meetod kasutab keemiliselt söövitatud metallsüdamikku koos modifitseeritud PFA-ga, mis sisaldab reaktiivseid rühmi (maleiinanhüdriid või sarnased sidestusained). Krunt seondub keemiliselt metalloksiidikihiga, luues pigem kovalentse liidese kui puhtalt kleepuva liidese. Selle konstruktsiooniga saavutatakse sidekihi nihkeväsimise eluiga 50 000–100 000 tsüklit ΔT=100 kraadi juures. Teise meetodi puhul kasutatakse mehaanilist blokeerimist: metallsüdamik karestatakse liivapritsiga (Ra=3–5 µm) ja PFA ekstrudeeritakse otse karedale pinnale ilma eraldi liimita. PFA voolab pinnasesse, luues mehaanilise luku. See meetod tagab 20 000–40 000 tsükli pikkuse väsimuse, kuid ebaõnnestub teistsuguse mehhanismi tõttu.{21}}PFA tõmbab kihistusest välja, selle asemel, et sidekiht ühtlustuda. Kolmas meetod kasutab termokahanevat PFA-toru sileda metallsüdamiku kohal ilma pinnatöötluseta, tuginedes kokkutõmbumiskohast tulenevale jääkrõngale. See meetod toimib termilise tsükli korral halvasti, kuna rõngaspinge lõdvestub roomamise tõttu kõrgemal temperatuuril. Väsimuse eluiga langeb ΔT=80 kraadi juures tavaliselt alla 5000 tsükli. Neljanda meetodi puhul kasutatakse metalli ja PFA vahel eraldi fluorosilikooni või FEP liimikihti. Kuigi need liimid on painduvad (madala mooduliga), on neil kehv keemiline vastupidavus ja nad paisuvad paljudes hapetes, mis põhjustab liimikihis kokkukuuluva rebenemise tõttu enneaegset purunemist. Väsimusaeg on väga erinev, ulatudes 2000 kuni 15 000 tsüklini, olenevalt konkreetsest liimikeemiast.
Soojustsükli taluvus liimimismeetodi ja pealekandmise raskusastme järgi
Järgmises tabelis on esitatud iga konstruktsioonimeetodi hinnanguline sidekihi väsimuse eluiga termilise tsükli suuruse (ΔT), maksimaalse töötemperatuuri ja keemilise keskkonna tõsiduse funktsioonina. Väärtused on tuletatud nelja tootja 200 küttekeha proovi kiirendatud eluea testimisel ja eeldatakse, et PFA seina paksus on vähemalt 1,5 mm.
| Liimimise ehitusmeetod | Maksimaalne ΔT tsükli kohta ( kraad ) | Maksimaalne töötemperatuur ( kraad ) | Keemiline keskkond | Eeldatav väsimuse eluiga (tsüklid kuni 50% sidepinna kadumiseni) | Rikkerežiimi tunnused |
|---|---|---|---|---|---|
| Keemiliselt söövitatud metall + reaktiivne PFA praimer | 120 | 150 | Neutraalne kuni kergelt happeline (pH 3–9) | 80,000–120,000 | Järk-järguline sideme otsa libisemine; ei mingit äkilist delaminatsiooni |
| Keemiliselt söövitatud metall + reaktiivne PFA praimer | 80 | 120 | Tugev hape (pH 0–2) | 40,000–60,000 | Korrosiooni{0}}abiga levik märjas otsas |
| Liivapritsiga töödeldud metallsüdamik, otsene PFA-ekstrusioon (mehaaniline blokeering) | 100 | 140 | Igasugune (mitte{0}}turse) | 25,000–45,000 | Tõmmake-asperitiesest välja; PFA fibrillatsioon murru pinnal |
| Liivapritsiga töödeldud metallsüdamik, otsene PFA ekstrusioon | 60 | 100 | Strong base (pH >12) | 15,000–25,000 | PFA{0}}metalli liidese aluseline hüdrolüüs |
| Kuum-kahanev PFA toru, sile metallist südamik | 80 | 120 | Kerge (pH 5–9) | 3,000–8,000 | Kiire delaminatsioon keskelt väljapoole; rõngas stressi leevendamine |
| Kuum-kahanev PFA toru, sile metallist südamik | 50 | 90 | Ükskõik milline | 5,000–12,000 | Delaminatsioon algab sidemete lõpust 500 tsükli jooksul |
| Eraldi FEP või fluorosilikooni liimikiht | 70 | 130 | Neutraalne (pH 7) | 8,000–18,000 | Liimikihi sidus rebenemine; turse nähtav |
| Eraldi liimikiht, mis tahes meetodil | 40 | 100 | Agressiivne orgaaniline lahusti | 500–2,000 | Liimi lahustumine või tugev turse; kiire ebaõnnestumine |
| Kahe{0}}kihiline side: söövitatud metall + krunt + FEP-polster + PFA | 130 | 180 | Tugev hape (pH 0–2) | 50,000–80,000 | Padjakiht vähendab nihkepinget; kallis eritellimusel ehitus |
Disaini muudatused CTE mittevastavuse stressi vähendamiseks
Kui nõutav termilise tsükli suurus ületab sidekihi väsimusvõime, võivad neli konstruktsioonimuudatust vähendada tsüklilist nihkepinget. Esimeses modifikatsioonis kasutatakse metallist südamikku, mille CTE on PFA-le lähemal. Kuigi ükski tavaline metall ei vasta PFA 110 ppm/kraadile, vähendab alumiinium (CTE 23 ppm/kraadi) CTE erinevust 40% võrreldes roostevaba terasega (CTE 17 ppm/kraadi). Alumiinium korrodeerub aga paljudes hapetes kiiresti, mistõttu on enne PFA pealekandmist vaja metallist südamikule õhukest kaitsekatet. Teine modifikatsioon lühendab pideva sideme pikkust. 50 cm küttekeha puhul on diferentsiaalpaisumine 0,59 mm. 25 cm küttekeha puhul langeb diferentsiaal 0,30 mm-ni, vähendades proportsionaalselt nihkepinget sidemete otstes. Sügavates mahutites, mis nõuavad pikki kütteseadmeid, kasutage ühe pideva ühendatud pikkuse asemel mitut lühemat ühendatud segmenti, mis on eraldatud toetamata vahedega. Kolmas modifikatsioon lisab metallsüdamiku ja jäiga PFA-kesta vahele ühilduva kihi. Õhuke (0,2–0,5 mm) silikoonkummi või fluorosilikooni kiht nihkemooduliga 1–3 MPa (võrreldes PFA 20–30 MPa-ga) võimaldab diferentsiaalset laienemist elastse kokkusurumise kaudu, mitte edastada nihkepinget ühendusliidesele. See padjakiht pikendab väsimise kasutusiga 3–5 korda, kuid muudab valmistamise keerukamaks ja vähendab veidi üldist soojusülekannet (5–10%). Neljas modifikatsioon kinnitab küttekeha mõlemast otsast, takistades PFA-l vabalt paisuda. See muudab diferentsiaalpaisumise probleemi sideme otste nihkest survepingeks PFA-s endas. PFA, mis on plastiline polümeer, talub kahjustusteta 1–2% survepinget. Kinnitatud otsa-konstruktsioonid nõuavad tugevaid otsatihendeid, et vältida PFA paindumist, kuid need kõrvaldavad täielikult sidekihi väsimise, saavutades põhimõtteliselt piiramatu termilise tsükli eluea.
Järeldus: liimimiskihi terviklikkus määrab küttekeha eluea tsükli ajal
Soojuspaisumise ebakõla PFA ja selle sisemise metallsüdamiku vahel tekitab tsüklilise nihkepinge, mis koondub iga kütte- ja jahutustsükli jooksul seotud piirkonna otstesse. Liimimiskihi väsimuse kestus selle pinge all määrab küttekeha pikaealisuse sagedase termilise tsükliga rakendustes. Keemiliselt söövitatud metallsüdamikud koos reaktiivsete kruntsidekihtidega saavutavad 40 000–120 000 tsüklit, mis sobib enamiku tööstuslike protsesside jaoks. Lihtsamad termokahanevad torukonstruktsioonid ilma keemilise sidumiseta purunevad 3000–12 000 tsükli jooksul, mistõttu need ei sobi igapäevaseks termotsükliks. Insenerid, kes määravad PFA-soojendid termotsükliga tööks, peavad taotlema tootjalt liimimismeetodi dokumentatsiooni. Müüja, kes ei suuda kirjeldada, kas metallsüdamik on söövitatud, krunditud või lihtsalt karestatud, kasutab tõenäoliselt väiksemat{14}}väsimuskonstruktsiooni. Kõige nõudlikumate rakenduste jaoks-kuuma happevannid, mis töötavad kaks korda päevas kümne aasta jooksul (7300 tsüklit),-ainult keemiliselt söövitatud liimimine reaktiivkrundi või kahekihilise{20}}padjaga tagab piisava väsimusvaru. Korraliku liimikihi lisakulu on tavaliselt 15–25% küttekeha hinnast, mis on väike lisatasu termotsükli kasutusea pikendamise eest kuudelt aastateni.
