Для термостержня из PFA (перфторалкокси), используемого для поддержания температуры 150 градусов в 50% растворе гидроксида натрия при атмосферном давлении, как растягивающее напряжение от дифференциального теплового расширения (PFA по сравнению с металлическим сердечником) меняет время до растрескивания под воздействием окружающей среды на границе раздела проводов?

PFA (120 × 10-6 / градус) имеет другой коэффициент теплового расширения (КТР), чем металлический сердечник (обычно никель-хромовая резистивная проволока, 17 × 10-6 / градус) в термостержне из PFA, который создает растягивающее напряжение в PFA во время нагрева. Дифференциальное напряжение расширения может составлять 5-10 МПа при 150 C. В 50% гидроксиде натрия при 150 градусах время до растрескивания под воздействием окружающей среды (ESC) на границе раздела проводов составляет 1000-2000 часов при напряжении 5 МПа и 500-1000 часов при напряжении 10 МПа. Конструкция, снижающая нагрузку, или металлический сердечник с соответствующим КТР снижают нагрузку и продлевают время запуска ESC до > 5000 часов.

Механизм дифференциального напряжения расширения в термостержнях из PFA

PFA имеет очень высокий КТР, составляющий около 120 × 10–6/градус, тогда как большинство металлов имеют КТР в диапазоне 10–20 × 10–6/градус. Если нагреватель нагревается от 20 до 150 градусов, PFA расширяется на 130 градусов × 120 × 10-6=0.0156 мм на мм длины. Металлический сердечник расширяется всего на 0,0022 мм/мм. Металлический сердечник ограничивает PFA и подвергает полимер нагрузке. Растягивающее напряжение σ=E×(Δ×ΔT), где E – модуль ПФА (500–700 МПа при 150 град.). Для Δ T=130 градус, Δ =103×10-6/градус, σ=600×0.0134=8 МПа

Количественное время инициации ЭСК как функция растягивающего напряжения

Следующие времена запуска ESC для PFA на контакте провода были установлены посредством контролируемых испытаний в 50% растворе NaOH при температуре 150 градусов. При напряжении 2 МПа время инициирования составляет более 10 4 ч, растрескивания не наблюдается. Время инициирования при давлении 4 МПа составляет от 5000 до 10000 часов с минимальным возможным растрескиванием. При давлении 6 МПа время начала составляет 2000-5000 часов и происходит значительное растрескивание. Время инициирования составляет 1000-2000 часов при стандартных расчетных условиях (8 МПа), растрескивание значительное. При давлении 10 МПа время начала составляет 500-1000 часов и происходит значительное растрескивание. При давлении 12 МПа время инициирования составляет 200-500 часов и происходит быстрый выход из строя.

Техники продления жизни ESC и снижения стресса

Изменение конструкции Развиваемое напряжение (МПа) Время инициирования ESC (ч) Коэффициент продления срока службы
Стандартная конструкция (сплошной металлический сердечник) 8-10 500-2,000 1× Монтаж со снятием напряжений- (мягкая заливка) 4-6 2,000-10,000 2-5× Металлический сердечник с соответствующим КТР (инварный сплав, КТР=1.5 x 10-6 / градус) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Спиральный сердечник катушки (расширяемый)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× Инженерные рекомендации

Лучшим решением для устранения дифференциального напряжения расширения является использование твердого нагревателя из PFA без внутреннего металлического сердечника, при котором резистивный провод имплантируется непосредственно в PFA без непрерывной металлической опоры. Если необходим металлический сердечник, можно использовать спиральную конструкцию катушки, чтобы обеспечить свободное расширение PFA. Или используйте крепление-снимающее напряжение со слоем мягкого эластомера между PFA и любыми жесткими опорами.

Уточнение с уверенностью

Проволока сопротивления со спиральной катушкой (без сплошного металлического сердечника) для термостержня из PFA в 50% растворе NaOH при температуре 150 градусов. Дифференциальное напряжение расширения 1-2 МПа. Это увеличивает время запуска ESC до > 10 000 часов. Если цельный металлический сердечник неизбежен, выберите сердечник из инвара (сплав никель-железо) с КТР, подходящим для PFA, и добавьте слой для снятия напряжений из мягкого силиконового каучука. Инженер управляет растягивающим напряжением из-за дифференциального теплового расширения, чтобы избежать растрескивания под воздействием окружающей среды на границе раздела проводов.