Каков потенциал использования керамических покрытий на основе полимеров-на тефлоновых нагревателях для обеспечения чрезвычайной стойкости к истиранию?

Чистый ПТФЭ представляет собой химически непроницаемую, но механически мягкую оболочку, которую можно царапать ногтем или медленно стирать проточной жижей. Для погружных нагревателей мягкость уже давно является отличительным ограничением ПТФЭ в жестких промышленных условиях. Одна новая область материаловедения пытается решить эту проблему. Он наносит жидкий прекерамический полимер на поверхность ПТФЭ и превращает ее в твердый, тонкий и гибкий керамический слой. В результате получается гибридная защитная оболочка, сочетающая в себе знаменитую химическую стойкость ПТФЭ с механической прочностью керамического экрана.

По сути, эта технология похожа на тефлоновую сковороду со сверх-твердым прозрачным бронезащитным покрытием. Толщина покрытия составляет всего несколько молекул, однако оно существенно изменяет реакцию поверхности на царапины, частицы и механический износ.

Развивающаяся область, связанная с использованием керамики на основе полимеров, покрывающей стойкость к истиранию нагревателя из ПТФЭ, в настоящее время становится предметом интереса в химической промышленности, горнодобывающей промышленности и разработке передовых тепловых систем.

Почему нагреватели из ПТФЭ не работают в абразивной среде
ПТФЭ завоевал свою промышленную репутацию благодаря своей превосходной стойкости к агрессивным химическим веществам, высокой диэлектрической прочности и хорошей совместимости с агрессивными жидкостями. Однако поверхностная твердость и стойкость к истиранию материала довольно низкие.

В различных промышленных операциях погружные нагреватели работают в условиях, содержащих:

частицы катализатора перемешиваются

Суспензии кристаллические

Растворы минеральные

Абразивные отложения

Высокоскоростной поток жидкости

Суспензии керамического порошка

В этих условиях оболочка из ПТФЭ может медленно изнашиваться при частом механическом контакте.

Химический барьер по-прежнему очень хорош, но сама поверхность может постепенно царапаться, царапаться или ослабляться. Электрическая изоляция и коррозионная стойкость могут снизиться, если защитная оболочка повреждена абразивным износом.

Эта трудность вызвала интерес к новым технологиям обработки поверхности, которые могли бы укрепить ПТФЭ, не изменяя его основную химическую природу.

Керамические покрытия на основе полимеров-: краткий обзор
Керамика на основе полимеров- (PDC) – это известное семейство сложных материалов, созданных путем преобразования тщательно разработанных полимеров в керамические структуры посредством контролируемой термической обработки.

Обычно эти материалы обрабатывают при очень высоких температурах, часто выше 800 градусов. Такие температуры превращают полимеры-предшественники на основе кремния в твердые керамические фазы, такие как:

Оксикарбид кремния (

Углерод - Нитрид кремния

соединения на основе карбида кремния

Сетки из аморфного керамического стекла

Эти керамические конструкции чрезвычайно прочны, термически и химически устойчивы.

Современная---задача современных исследований — адаптировать эту технологию к-чувствительным к температуре подложкам из ПТФЭ, которые не могут выдерживать стандартные температуры обработки керамики.

Как процесс нанесения покрытия может работать на нагревателях из ПТФЭ
Процесс начинается с нанесения очень тонкого покрытия из прекерамической полимерной смолы на окончательную оболочку нагревателя из ПТФЭ.

Это покрытие должно быть:

Стандартный

Безупречно

Адаптируемый

Химически неактивен

Очень тонкий

Затем оболочка с покрытием подвергается контролируемой термической обработке при температурах, точно контролируемых в пределах стабильности ПТФЭ после нанесения.

Проблемы низко-пиролиза
ПТФЭ будет немедленно поврежден при обычных температурах обработки PDC. В результате возникает задача разработать модифицированные химические составы пре-керамики, которые могут подвергаться частичной керамической конверсии при температурах, приближающихся к термическим ограничениям фторполимеров или ниже их.

Исследователи исследуют:

Системы сшивки при низких температурах

УФ-отверждение

Плазменная конверсия

Гибридные химические вещества: золь-гель.

Нанокомпозитные керамические предшественники

Идея состоит в том, чтобы создать поверхность,-подобную керамике, без необходимости подвергать основу из ПТФЭ разрушительному нагреву.

Это все еще очень экспериментальный вариант, но теоретический потенциал велик.

Идея керамического щита
Эту идею очень хорошо передает волшебная краска, которая превращается в гибкий,-твердый стеклянный щит.

После преобразования покрытие создает ультра-тонкий керамический поверхностный слой толщиной всего несколько микрон. Несмотря на свою небольшую толщину, материал может обеспечить замечательные преимущества:

устойчивый к царапинам

Твердость поверхности

устойчивость к истиранию-сопротивлению

Устойчивость к эрозии частиц

Прочность поверхности при перемешивании

Важно отметить, что находящийся под ним ПТФЭ продолжает выполнять свою первоначальную функцию:

Химическая барьерная защита

электрическая изоляция

Обеспечение гибкости

Принимая во внимание тепловое расширение

Керамический слой выдерживает механическое воздействие, а подложка из ПТФЭ обеспечивает химическую изоляцию.

Возможное использование в условиях экстремально высоких температур
В случае успешного выхода на рынок эта технология может значительно расширить условия эксплуатации ПТФЭ-нагревателей.

Горнодобывающие растворы - Абразив
Обычные фторполимерные поверхности могут быть быстро разрушены взвешенными материалами, обнаруженными в резервуарах для переработки минерального сырья.

Суспензионные реакторы с катализатором
Химические реакторы с твердыми частицами катализатора обычно подвергаются постоянным ударам и турбулентности на поверхности погружных нагревателей.

Системы кристаллизации
По мере того, как кристаллы становятся крупнее, условия течения вблизи нагревательных элементов могут быть очень абразивными.

Контейнеры для химикатов (с перемешиванием)
Высокоскоростные-системы смешивания могут вызывать локальную турбулентность и столкновения частиц, которые со временем могут привести к разрушению типичных покрытий из ПТФЭ.

Успешное решение для абразивного истирания нагревателей из ПТФЭ с керамическим покрытием на основе полимера может позволить погружным нагревателям из ПТФЭ работать в ситуациях, которые ранее были неподходящими для систем на основе фторполимеров.

Критическая важность целостности покрытия
Керамическое покрытие должно быть не просто твердым. Также он должен быть совершенно непрерывным и безупречным.

Важно сохранить поверхность-свободной от точечных отверстий:

Целостность электрической изоляции

Устойчивость к химическому проникновению

Коррозионная изоляция

Диэлектрические свойства, долгосрочная-долгосрочная перспектива

Даже крошечные дефекты покрытия могут привести к концентрированному износу локальных участков из ПТФЭ или вызвать проблемы с электрической надежностью.

Одной из самых сложных инженерных задач является сохранение единообразия: изгибов, сварных переходов и криволинейных поверхностей оболочки.

Термический цикл и проблемы гибкости
Керамика традиционно считалась хрупким материалом. ПТФЭ очень гибкий и имеет большое тепловое расширение.

Это несоответствие является сложной проблемой материаловедения.

В процессе эксплуатации погружные нагреватели часто подвергаются:

Стартовые разминочные-раунды

Охлаждающая-усадка

Турбулентность жидкости

Динамическая вибрация

Дифференциальные напряжения расширения

Если керамический слой не может согнуть подложку из ПТФЭ, могут образоваться трещины.

После образования микротрещин стойкость к истиранию и эффективность химического барьера могут быстро ухудшиться.

Вот почему исследователи рассматривают аморфные керамические структуры и гибридные керамические-полимерные интерфейсы, которые могут сохранять некоторую степень эластичности.

Баланс между твердостью и гибкостью
Одной из наиболее интересных особенностей технологии керамики на основе полимеров- является возможность создания материалов, промежуточных между жесткой керамикой и гибкими полимерами.

Вместо того, чтобы вести себя как хрупкое стекло, некоторые современные материалы PDC демонстрируют:

Гибкость в наномасштабе

Меньшее распространение трещин.

Улучшенная аккомодация напряжения

Улучшенная адгезия к полимерным подложкам

Этот промежуточный ответ может в конечном итоге определить, станет ли этот метод коммерчески жизнеспособным для применений погружного нагрева.

Соображения относительно производства и масштаба
Даже если требования к техническим характеристикам будут соблюдены, массовое производство ставит новую задачу.

Для коммерческого применения потребуется:

Контроль толщины покрытия, повторяемость

Надежный процесс адгезии

Изменчивость преобразования при низкой температуре

Методы отверждения в промышленных масштабах

Проверка качества на долгие годы

Любой экономически эффективный подход должен быть совместим с существующими процессами производства нагревателей из ПТФЭ и не усложнять или увеличивать стоимость производства.

Выводы
Одним из наиболее интересных будущих достижений в технологии погружных нагревателей из фторполимеров является создание керамических покрытий на основе полимеров. Эти покрытия могут значительно улучшить стойкость к истиранию и царапинам за счет создания ультра-керамического-слоя на поверхности ПТФЭ, сохраняя при этом непревзойденную химическую инертность и электроизоляционные свойства основного материала.

Основная проблема в новой области керамических покрытий на основе полимеров для защиты от истирания нагревателей из ПТФЭ заключается в изменении химического состава керамики, который обычно имеет высокую температуру, чтобы он соответствовал мягким термическим ограничениям подложек из ПТФЭ. Создание гибкого,-без пор и трещин-стойкого керамического слоя по-прежнему остается актуальной темой в исследованиях передовых материалов.

Если керамические покрытия-на основе полимеров эффективны, они смогут стать долгожданным-средством устранения самой большой механической слабости ПТФЭ, не ставя при этом под угрозу его наиболее важные химические преимущества. Самый мягкий инертный полимер и самая твердая керамика в конечном итоге могут стать неожиданной комбинацией, которая создаст самую прочную защитную оболочку будущих тепловых систем.