Каковы важные конструктивные особенности нагревательной пластины для вакуумного горячего пресса?

Горячий пресс в вакуумной камере создает двойную-проблему. Он должен применять равномерное тепло и давление для соединения материалов, не загрязняя при этом безупречный вакуум выделяющимися органическими веществами или захваченным газом. Обычные атмосферные нагревательные плиты не выживут в этой первозданной атмосфере с высокими-ставками. Проектирование нагревательной пластины вакуумного горячего пресса с нуля с учетом чистоты материала, герметизации и распределения тепла. В таких приложениях, как композитное соединение компонентов аэрокосмической промышленности, герметизация полупроводников или диффузионная сварка металлов, сама плита становится ключевым технологическим инструментом.

Особые требования к вакуумной среде
В вакуумной камере атмосферная конвекция отсутствует. Передача тепла от плиты к заготовке может осуществляться только за счет проводимости (в точках контакта) и за счет излучения. Это делает плоскостность и термическую однородность поверхности валика еще более важными, чем на воздухе. Любое пространство между плитой и заготовкой ограничивает эффективный контакт и вызывает разницу температур.

Между тем, окружающая среда пылесоса очень восприимчива к загрязнению. Дегазация-выброс захваченных газов, влаги или летучих органических соединений из материалов-может испортить уровень вакуума, загрязнить заготовку или повредить вакуумные насосы. Таким образом, конструкция нагревательной пластины вакуумного горячего пресса должна быть изготовлена ​​из материалов со сверх-низким выделением газов и герметична-.

Критический выбор материалов для снижения газовыделения
Корпус плиты должен быть изготовлен из металла, пригодного для вакуумирования. Популярные варианты включают в себя:

Нержавеющая сталь 316L - Самый популярный вариант. Обладает низким выделением газов, превосходной механической прочностью при высоких температурах и устойчивостью к окислению при вакуумной термообработке. Обычно поверхность полируется или подвергается электрополировке, чтобы минимизировать площадь поверхности и дополнительно ограничить выделение газа.

Алюминиевые сплавы (6061 или 7075), специально обработанные - Обычный алюминий небезопасен для пылесоса из-за его толстого пористого оксидного покрытия, которое собирает влагу. Но специальную очистку и вакуумную сушку алюминия можно использовать при умеренных температурах (менее 250 градусов).. 316L гораздо предпочтительнее для сверх-высокого вакуума (СВВ).

Инконель или другие суперсплавы - Инконель или сплавы Хейнса предназначены для применения при температуре выше 500 градусов, когда нержавеющая сталь теряет прочность. Они имеют очень низкое давление пара при высокой температуре.

Все внутренние компоненты, включая нагревательные элементы, изоляцию, провода термопар и материалы уплотнений, должны соответствовать пределам выделения газа, установленным такими стандартами, как ASTM E595 (для космических и вакуумных применений), с общей потерей массы (TML) 1,0% и собранным летучим конденсирующимся материалом (CVCM) 0,1%.

Материалы, которых следует избегать:

Алюминиевый стандарт (высокое газовыделение, пористый оксид).

Пластмассы или полимеры (за исключением нескольких высокотемпературных-сортов с низким выделением газов, таких как Веспел или Каптон, которые используются умеренно).

Витон или обычные эластомеры (силикон или фторсиликон могут быть приемлемы в ограниченных условиях; обычно предпочтительнее-металлические уплотнения).

Нагревательные элементы, совместимые с вакуумом-, герметично закрытые
В плиту встроены нагревательные элементы, которые необходимо герметично закрыть, чтобы избежать выделения газа или попадания частиц внутрь. Приемлемые конструкции:

Нагревательные кабели с минеральной-изоляцией (MI) - Резистивный провод (NiCr или аналогичный), заключенный в прессованный порошок оксида магния (MgO) в бесшовной металлической оболочке (инконель, нержавеющая сталь 316 или сплав 600). При производстве MgO подвергается сушке и вакуумной дегазации. Концы оболочки завариваются.

Стандартные картриджные нагреватели часто имеют органические торцевые уплотнения, выделяющие газы. Картриджные нагреватели с приварными крышками Для эксплуатации пылесосов можно использовать только варианты с полностью приваренными торцевыми крышками и наполнением MgO.

Герметизированные резистивные элементы - В случае тонких пластин нагреватели из травленой фольги можно герметично заключить между двумя металлическими пластинами с помощью лазерной сварки по периферии.

Внутренняя проводка, соединяющая нагревательные элементы с вводами, должна быть изолирована материалами с низким газовыделением. Вся трасса предпочтительно имеет кабель с минеральной изоляцией. Если требуется гибкий провод, подойдет изоляция из ПТФЭ или каптона (полиимида), но ее необходимо тщательно прокалить в вакууме. Никакой стандартной проволоки из ПВХ или нейлона.

Электрические проходные соединения и термопара (герметичная)
Любая линия электропитания или датчиков, идущая из атмосферы за пределы вакуумной камеры в плиту, должна пересекать вакуумный барьер. Это осуществляется с помощью переходников из керамики-в-металл. Стандартная плита горячего пресса в вакуумном прессе имеет следующие особенности:

Вводы питания - Два или более проводника (в зависимости от однофазного- или трех-нагрева, в зависимости от ситуации), припаянные к металлическому фланцу или непосредственно к корпусу пластины. Керамический изолятор обычно состоит из 95 % или 99 % оксида алюминия и герметично прилегает к металлу.

Вводы термопар - Удлинители термопар из тонкой проволоки (типа K или J) ​​проходят через вакуумно-плотный фитинг, обычно с небольшим керамическим ---металлическим уплотнением.

Эти вводы должны быть рассчитаны на рабочую температуру плиты (обычно 300-500°С для вакуумного горячего прессования) и перепад давления (1 атм снаружи, вакуум внутри). Они проходят испытания на утечку с помощью гелиевого масс-спектрометра до скорости утечки менее 10⁻⁹ мбар·л/с.

Любая полость в валике-, например глухое отверстие для термопары или резьбовой карман для крепежа, может оказаться «виртуальной утечкой». Важно: газ, попавший в такие полости, будет постепенно просачиваться в вакуум, увеличивая время откачки и ухудшая базовое давление. Архитектура должна предусматривать вентиляционные проходы к этим полостям для соединения их с внешней средой, либо их следует вообще удалить. Например, гильза для термопары обычно вентилируется через крошечное отверстие (диаметром 0,5–1,0 мм), просверленное до поверхности валика, что позволяет удалить захваченный воздух.

Термическая однородность в условиях вакуума
В отсутствие конвективного потока воздуха, способствующего распределению тепла, плита должна зависеть только от проводимости и внутреннего излучения, чтобы получить однородную температуру поверхности. Основные конструктивные особенности для обеспечения единообразия:

Оптимизированное расположение нагревателя - Нагревательные элементы расположены на основе анализа конечных элементов (FEA) таким образом, чтобы отклонение температуры рабочей поверхности было в пределах ±2–5 градусов. Для управления зонами часто имеется несколько независимо управляемых нагревателей и термопар.

Толстый корпус плиты с высокой проводимостью - Более толстая плита (например, 25–40 мм) улучшит боковое распределение тепла. Но существует компромисс между толщиной, весом и температурным откликом.

Плоскостность и полировка поверхности - Верхняя контактная поверхность шлифуется с точностью до 0,025–0,05 мм (0,001–0,002 дюйма) по площади валика. Хорошая обработка поверхности (Ra < 0,8 мкм) обеспечивает эффективный тепловой контакт с заготовкой и уменьшает площадь поверхности, подверженную газовыделению.

Изоляция за плитойНе-рабочая сторона плиты обычно изолируется плитами из керамического волокна с низким-выделением газов (например, кварцевым или глиноземным волокном) для направления тепла вперед. Эти доски необходимо прокалить, чтобы удалить связующие и летучие вещества.

На самом деле перед использованием плиты часто подвергаются обжигу в вакууме, часто при температуре 150–300 градусов под вакуумом в течение многих часов, чтобы удалить впитавшуюся влагу и остаточные примеси. После прокаливания плита достигла стабильного состояния с низким выделением газов.

Контрольный список проектирования нагревательной пластины вакуумного горячего пресса
Тщательный контрольный список конструкции нагревательной пластины вакуумного горячего пресса выглядит следующим образом:

Категория Метод проверки критических характеристик
Body material 316L stainless steel (or Inconel for >500 градусов) Сертификат на материал Обработка поверхности (электрополировка)
Герметичный кабель с минеральной-изоляцией (MI) Нагревательный элементБез органических торцевых уплотнений, сварная оболочка
Внутренняя изоляция. Компактный MgO (сухой, вакуумная дегазация). Данные производителя по дегазации, предоставленные компанией Hoover.
Проходные соединениякерамика-к-металлу, скорость утечки<10-9 mbar·L/sHelium leak test