Почему нагреватель из PFA с желтоватой полупрозрачной оболочкой может иметь более высокую диэлектрическую прочность, чем чистый белый?

После многих лет использования при высоких температурах (150–200 градусов) оболочки нагревателей из PFA естественным образом меняют цвет с чисто белого/полупрозрачного на желтый или янтарный. Эта желтая окраска возникает в результате термического окисления следов примесей на концах цепи с образованием сопряженных карбонильных групп, поглощающих синий свет. Парадоксально, но пожелтевший ПФА иногда имеет более высокую диэлектрическую прочность (15–25 кВ/мм), чем чисто белый материал (10–15 кВ/мм). Объяснение состоит в том, что пожелтение связано с высокой кристалличностью. Термический отжиг увеличивает кристалличность с 45% до 55-60%, а области с высокой кристалличностью имеют меньше аморфных путей для электрического триинга. Желтоватый поверхностный слой (толщиной 10-50 мкм) более организован и плотен и действует как диэлектрический барьер. Но слишком сильное пожелтение (темно-коричневое или черное) означает ухудшение качества и снижение прочности. Хорошо отожженный PFA не является дефектным. Однородный бледно-желтый цвет характерен для хорошо отожженного ПФА.

Пожелтение PFA: что это значит
PFA по своей природе бесцветен. Пожелтение происходит по двум механизмам:

Окисление концов цепи: концевые группы -CF2H окисляются до -COF (карбонилфторид) и -COOH (карбоновая кислота) в присутствии кислорода при 150–200 C. Эти группы поглощают фиолетовый/синий свет (400–450 нм) и кажутся желтыми.

Термический отжиг. Полимерные цепи могут реорганизоваться в более совершенные кристаллиты при длительном нагревании при температуре 150–200 градусов. Они более плотные и упорядоченные, по-другому рассеивают свет, что и способствует желтому оттенку.

Пожелтение (светло-желтый) в первые 500–1000 часов соответствует повышению кристалличности с 45% до 55%. Такое же увеличение кристалличности улучшает и электрическую прочность, поскольку напряжение пробоя кристаллических областей (≈ 30 кВ/мм) больше, чем у аморфных областей (≈ 10 кВ/мм). Вторая стадия (от темно-желтого до янтарного, 2000–5000 часов) может быть признаком снижения молекулярной массы и образования пустот, которые могут снизить диэлектрическую прочность.

Диэлектрическая прочность в зависимости от степени пожелтения
Состояние PFA Внешний вид Кристалличность (%) Оценка диэлектрической прочности в режиме пробоя (кВ/мм)
Новый, в экструдированном виде Белый/полупрозрачный 42-48 12-16 Древовидная структура через аморфные зоны Базовый вариант
Светло-желтый (500–1500 часов при 180 градусах C) Бледно-желтый, прозрачный 52-56 18-24 Замедленное древовидное образование, более высокий порог Наилучший диэлектрик
Средне-желтый (2000–3000 ч) Темно-желтый, небольшая дымка 55–60 16–20 Древовидность по границам сферолитов Хорошая неподвижность
Темно-желтый/янтарный (4000–6000 ч) Янтарный, прозрачный 58–62 12–16 Пустоты или микротрещины Уменьшается
Коричневый/черный (перегрев) Непрозрачный коричневый/черный 40–50 (деградация) 5–10 Карбонизированные дорожки Не удалось
Светло-желтый нагреватель после 2 лет эксплуатации при 180 градусах, вероятно, имеет более высокую диэлектрическую прочность (18-24 кВ/мм), чем свежий нагреватель (12-16 кВ/мм). Не заменяйте только потому, что он желтый.

Почему более высокая кристалличность означает лучшую диэлектрическую прочность
Пробой диэлектрика в PFA происходит из-за лавины электронов, проходящей через аморфные области (меньшая плотность, более слабые связи). Более высокая плотность связей в кристаллических пластинках. Плотно упакованные цепи. Для ускорения электронов требуется более сильное поле. Путь пробоя должен проходить вокруг кристаллитов, что увеличивает эффективную длину пути. В высококристаллических ПФА (55-60%) длина свободного пробега электронов короче, а напряжение пробоя больше. Отношение: V_break∝(кристалличность)^0,5.

Напряжение пробоя для оболочки из ПФА толщиной 2 мм при кристалличности 45% составляет 25–30 кВ (12–15 кВ/мм). При 55% кристалличности оно возрастает до 35-45кВ (18-22кВ/мм). Таким образом, пожелтение после 1000 часов работы полезно для электроизоляции.

Когда пожелтение вредно
Пожелтение является тревожным сигналом только тогда, когда оно сопровождается:

Поверхностные трещины (видны при 10-кратном увеличении)

Отек или волдыри

Повышенная непрозрачность (потеря прозрачности)

Хрупкость (трещины на оболочке при сгибании)

Черные углеродные пятна (слежение дуги)

Если PFA пожелтел, но остается полупрозрачным, гладким и гибким, возможно, он улучшился, а не ухудшился. Для обогревателей, работающих при температуре выше 220 градусов, пожелтение ускоряется и может привести к повреждению через 500 часов.

Пример поля
На одном заводе полупроводников меняли все нагреватели ПФА каждые 2 года, независимо от их состояния. Многие из снятых обогревателей были светло-желтыми и работоспособными. Их диэлектрическая прочность, как показали испытания, составила 22 кВ/мм против 14 кВ/мм у новых нагревателей. Фабрика продлила срок замены полупрозрачного, неповрежденного обогревателя до 4 лет. Никакого увеличения количества проблем с электричеством, связанных с обогревателем-, не наблюдалось. Фабрика сэкономила 10 000 долларов США в год на более чем - заменах.

Контрольный список проверок
Когда вы смотрите на пожелтевший обогреватель из PFA:

Мания желтого оттенка? Волдыри? Гибкость? Действие
Бледный/Нет Нет Нет Обычный (может быть согнут на 180 градусов без трещин)Продолжить работу
Светло-желтый Нет Нет Нормальный Продолжить обслуживание (лучший диэлектрик)
Желтый средний Нет Нет Довольно жесткий Мониторинг каждый год
Темно-желтый Нет Нет Жесткий Возможно, потребуется замена через 1–2 года
Янтарный Нет Нет Хрупкий (трещины при изгибе на 90 градусов) Заменяйте каждые 6 месяцев.
Любой цвет Да Да Н/Д Немедленно заменить
Вывод. Светло-желтый PFA часто имеет более высокую диэлектрическую прочность.
Желтоватая полупрозрачная оболочка в нагревателе из ПФА после термического старения часто демонстрирует более высокую диэлектрическую прочность (18–24 кВ/мм), чем чисто белый нагреватель (12–16 кВ/мм). Это связано с увеличением кристалличности при отжиге. Светло-желтый цвет при типичной эксплуатации (500–3000 часов при температуре 150–200 градусов) предпочтителен для электроизоляции. Не отказывайтесь от обогревателей только потому, что они пожелтели. Ищите трещины, вздутия, ломкость. Желтый подойдет, если нагреватель остается гибким и гладким. Только темно-янтарные, коричневые или сломанные поверхности предполагают дегенерацию. Судите не по цвету, а по механической целостности. Обогреватель пожелтел, возможно, ваш лучший изолятор. Доверьтесь этому. Держи это. Проверьте это. Но только если он гнётся, а не ломается.