Kako neusklajenost toplotnega raztezanja med PFA in notranjim kovinskim jedrom spremeni celovitost vezne plasti pri termičnem cikliranju?

Vsak potopni grelnik s kapsulo PFA-ima kovinsko grelno jedro, običajno iz Incoloya 825, titana ali nerjavečega jekla 316, obdano s plastjo PFA. Plast PFA je ekstrudirana neposredno na kovino ali pa se nanese kot toplotno skrčena cev z vmesno lepilno vezno plastjo. Ta vezni sloj je pri komercialnih grelnikih običajno debel 0,05–0,20 mm in ima dve pomembni funkciji: prenaša toploto od kovinskega jedra do zunanjega plašča PFA in preprečuje razslojevanje, ki lahko povzroči vdor vlage in uhajanje električne energije. PFA (100–120 ppm/stopinjo) in kovinsko jedro (14–18 ppm/stopinjo) imata koeficient toplotne razteznosti (CTE), ki se razlikujeta za približno faktor šest. Na dolžini 30 cm se PFA poskuša razširiti za 0,8–1,2 % več kot kovinsko jedro med vsakim ciklom segrevanja od sobne do delovne temperature (npr. 25 stopinj do 150 stopinj za visokotemperaturne kislinske kopeli). Ta razlika v raztezanju vodi do ciklične strižne napetosti na kovinskem vmesniku PFA-, osredotočenega na konce vezanega območja. Vezni sloj, pogosto modificiran fluoropolimer ali spodbujevalec adhezije na osnovi -silana, mora sprejeti to ciklično strižno napetost brez okvare (kohezivno ali lepljivo). Ponavljajoče se temperaturno cikliranje počasi uniči vezni sloj z mehanizmi utrujenosti, kar sčasoma povzroči lokalno razslojevanje in prezgodnjo odpoved grelnika.

Razvoj strižne napetosti na vezni površini zaradi neusklajenosti CTE.
Razlika v koeficientih toplotnega raztezanja povzroči neenakomerno napetostno polje, čeprav zelo lokalizirano, na koncih vezanega območja. Vzemite grelec s 50 cm dolgim ​​kovinskim jedrom, ki je v celoti zaprto s PFA. Prosta (nevezana) PFA bi se pri segrevanju s 25 stopinj na 150 stopinj podaljšala za približno 0,125 mm na cm dolžine (CTE 110 ppm/stopinjo × 125 stopinj=0.01375 mm/cm) ali 0,69 mm več kot 50 cm. Prosto kovinsko jedro bi se razširilo za 0,020 mm na cm (CTE 16 ppm/stopinja × 125 stopinj=0.002 mm/cm) ali 0,10 mm nad 50 cm. To razliko 0,59 mm je treba kompenzirati s strižno deformacijo veznega sloja. Za lepilni sloj dolžine 50 cm je povprečna strižna deformacija samo 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12 %), kar je nepomembno. Vendar pa vezni sloj ni enakomerno deformiran po svoji dolžini. Na sredini zlepljenega območja sta PFA in kovina prisiljena potovati skupaj in relativni premik je enak nič. Konci povezanega območja morajo prenesti vseh 0,59 mm diferencialne ekspanzije na kratki razdalji-običajno 2-5 mm od konca vezi. Posledica tega je koncentracijski faktor pri strižni deformaciji 50- do 100-krat večji od tipične deformacije. Modeliranje s končnimi elementi običajnega grelnika PFA-na kovini z vezno plastjo debeline 0,10 mm predvideva najvišje strižne napetosti reda 15–25 % na koncih vezi za dvig temperature za 125 stopinj.

Za večino modificiranih fluoropolimernih lepil je strižna napetost 15-25 % v vezni plasti enaka strižni napetosti 3-6 MPa glede na strižni modul (približno 20-30 MPa v gumijastem stanju nad temperaturo posteklenitve). Ta raven napetosti je nižja od končne strižne trdnosti sveže nanesenega veznega sloja (običajno 8–12 MPa). Vezni sloj preživi en sam toplotni cikel. Vendar pa se ista najvišja strižna napetost ponovi v vsakem ciklu, kar povzroči nastanek poškodb zaradi utrujenosti. Življenjska doba vezne plasti se lahko opiše s potenčnim zakonom: Nf=A × (σshear)−b, kjer je b običajno med 5 in 8 za fluoropolimerna lepila. Obremenitev 5 MPa lahko povzroči okvaro pri 10.000 ciklih, napetost 3 MPa pa lahko povzroči življenje več kot 50.000 ciklov. V praksi to pomeni, da bodo imeli grelniki, ki delujejo s temperaturnim nihanjem 125 stopinj (npr. . 25 stopinj do 150 stopinj), življenjsko dobo utrujenosti vezne plasti 5.000–15.000 ciklov, grelnik z nihanjem 60 stopinj (npr. . 30 stopinj do 90 stopinj) pa bo zdržal 40.000–100.000 ciklov.

Mehanizmi in detekcija širjenja delaminacije
Ko se poškodba zaradi utrujenosti začne na koncih vezi, se delaminacija širi navznoter vzdolž vmesnika po dveh poteh. Prvi mehanizem je ciklična strižna utrujenost. V vsakem toplotnem ciklu se uporabi enaka porazdelitev strižne deformacije in fronta razpoke se širi 10-50 $\\mu$m na cikel, odvisno od faktorja intenzivnosti napetosti na konici razpoke. Ko se razslojevanje daljša, postane dolžina spoja krajša in strižna deformacija na novi konici razpoke se poveča, saj je treba skupni diferencialni premik prilagoditi krajši preostali dolžini vezi. Ta pozitivna povratna informacija poveča širjenje: delaminacija, ki se razvije na 10 % celotne dolžine vezi, doživi strižne obremenitve konice razpoke, ki so 10–20 % višje od začetnega konca vezi, zaradi česar se širi hitreje. Druga metoda je napad na okolje. Pri korozivnih storitvah, kot so kislinske kopeli, jedke čistilne raztopine ali nastavitve mokrega klora, se agresivni medij s kapilarnim delovanjem vpije v razslojevalno režo. Kemične vrste napadejo samo vezno plast ali površino kovinskega jedra, pri čemer spremenijo razslojevanje iz čisto mehanskega utrujenostnega loma v razpoko, ki jo povzroči korozija. Analiza napak na terenu grelnikov PFA, ki se uporabljajo v polprevodniških mokrih preskusnih napravah, kaže, da je 70 % okvar delaminacije na koncih vezi, izpostavljenih procesni tekočini, v primerjavi s 30 % na suhem (zgornjem) koncu vezi nad linijo tekočine. To pomeni, da odvajanje iz okolja širi napako s faktorjem 3-5.

Potrebno je redno električno testiranje, da se odkrije razslojevanje vezne plasti pred katastrofalnim zrušitvijo. Kapacitivnost med kovinskim jedrom in zunanjo ozemljitveno elektrodo popolnoma vezanega PFA grelnika z nedotaknjenim PFA je ves čas stabilna. V procesu delaminacije se na vmesniku ustvari zračna reža. Dielektrična konstanta zraka je približno 1,0, PFA pa 2,1. Tako se razslojeni del kaže kot odsek nižje-kapacitivnosti. Izmerite kapacitivnost vzdolž dolžine grelnika z uporabo segmentirane zunanje elektrode ali s premikom ene elektrodne objemke. Lokalno razslojevanje kaže sprememba kapacitivnosti za več kot 15 % med sosednjimi 5 cm odseki. Če ima grelnik ozemljitveno ploščo, vdelano v plašč PFA (običajno za varnostne{11}}izvedbe), izmerite izolacijski upor med kovinskim jedrom in ozemljitveno ploščo. Vrednosti so padle s 100–500 MΩ na 10–50 MΩ v 6–12 mesecih, kar kaže na znatno razslojevanje in infiltracijo vlage v režo.

Različice v oblikovanju lepilnega sloja in obnašanju ob utrujenosti
Niso vsi pristopi lepljenja PFA-na-kovino enako učinkoviti pri temperaturnem ciklu. Obstajajo štiri tipične gradbene strategije, od katerih vsaka uporablja drugačen odziv na stres neusklajenosti CTE. Prvi pristop, ki je najbolj odporen na utrujenost, združuje kemično jedkano kovinsko jedro s temeljno plastjo modificiranega PFA z reaktivnimi skupinami (anhidrid maleinske kisline ali podobna spojna sredstva). Temeljni premaz kemično reagira s plastjo kovinskega oksida, da ustvari kovalentni vmesnik, ne le lepilni. Ta struktura omogoča 50.000 do 100.000 ciklov življenjske dobe vezne plasti proti strižni utrujenosti pri ΔT=100 stopinji. Drugi pristop vključuje mehansko zaporo, kjer je kovinsko jedro s peskanjem obdelano na grobo površino (Ra=3–5 µm) in je PFA neposredno iztisnjen na grobo površino brez dodatnega lepila. PFA prodre v površinske neravnine in povzroči mehansko zaporo. Rezultat tega pristopa je življenjska doba ob utrujenosti 20.000-40.000 ciklov, vendar odpove zaradi drugačnega mehanizma, tj. PFA se iztrga iz neravnin, namesto da bi povezovalna plast odpovedala kohezivno. Tretja metoda temelji na preostalem obročastem stiskanju zaradi skrčnega prileganja toplotno skrčene PFA cevi preko gladkega kovinskega jedra brez površinske obdelave. Življenjska doba ob utrujanju se zelo razlikuje, od 2.000 do 15.000 ciklov, odvisno od kemije lepila.

Naslednja tabela prikazuje ocenjeno življenjsko dobo vezne plasti ob utrujenosti za vsako metodo izdelave kot funkcijo velikosti toplotnega cikla (ΔT), najvišje delovne temperature in resnosti kemičnega okolja.

Metoda konstrukcije Lepljenje Max ΔT na cikel (stopinja)