PFA (perfluorialkoksi) lämpösauva, jota käytetään ylläpitämään 150 astetta 50-prosenttisessa natriumhydroksidiliuoksessa ilmakehän paineessa, kuinka differentiaalisen lämpölaajenemisen (PFA vs. metalliydin) aiheuttama vetojännitys muuttaa aikaa ympäristöjännityksen halkeilemiseen langan rajapinnassa?

The difference of the coefficient of thermal expansion (CTE) between PFA (120 × 10-6 /°C) and the metal core (e.g. nickel-chromium resistance wire, 17 × 10-6 /°C) causes tensile stress in the PFA when the PFA heat rod is heated. The differential expansion stress might be as high as 5 to 10 MPa at 150°C. In 50% sodium hydroxide at 150°C the time to environmental stress cracking (ESC) at the wire contact is 1000–2000 hours at 5 MPa stress and 500–1000 hours at 10 MPa stress. Stress-relieved design or use of a metal core with matching CTE reduces stress and increases the ESC initiation time to >5000 tuntia.

Differentiaalilaajenemisjännitysmekanismi PFA-lämpötanoissa

PFA:n CTE on poikkeuksellisen korkea, 120 × 10⁻⁶/aste, kun taas useimpien metallien CTE-arvot ovat 10–20 × 10⁻⁶/aste. Kun lämmitin kuumennetaan 20 astetta 150 asteeseen, PFA laajenee 130 astetta * 120 * 10-6=0.0156mm pituutta kohti. Metalliydin laajenee vain 0,0022 mm/mm. Metalliydin rajoittaa PFA:ta ja vetää polymeeriä jännityksessä. Vetojännitys σ=E × (Δ × ΔT), jossa E on PFA:n moduuli (500-700 MPa 150 asteessa). Kun ΔT=130 aste ja Δ=103 * 10-6 / aste , σ=600 * 0.0134=8 MPa.

ESC-aloitusaika vetojännitystä vastaan ​​(kvantitatiivinen)

Kontrolloitu testaus 50 % NaOH:ssa 150 asteessa on määrittänyt seuraavat ESC-aloitusajoitukset PFA:lle lankaliitännässä. Aika initiaatioon 2 MPa jännityksellä on yli 10 000 tuntia ilman halkeamia. 4 MPa:lla käynnistysaika on 5 000–10 000 tuntia ja halkeamia voi esiintyä vähän. 6 MPa:lla käynnistysaika on 2000-5000 tuntia, tapahtuu lievää halkeilua. 8 MPa:lla (standardimallin keskiarvo) käynnistysaika on 1 000-2 000 tuntia ja halkeilu on huomattavaa. 10 MPa:lla käynnistysaika on 500-1000 tuntia ja voimakasta halkeilua. Käynnistysaika on 200-500 tuntia 12 MPa:lla, sitten nopea vika.

Stressin vähentämisstrategiat ja ESC-elämän pidentäminen

Suunnittelumuutos Stressimuutos (MPa) Alkuaika (h) Käyttöiän pidennyskerroin
Vakiomuotoilu (umpimetalliydin) 8–10 500–2,000 1x jännitys-kevennetty asennus (pehmeä pinnoite) 4–6 2,000–10,000 2–5x metalliydin, jossa on vastaava CTE (Invar-seos, CTE=1.5′′ × 10℃) 2–3 5,000–15,000 5–10x
Kierteinen kelaydin (laajenemisen mahdollistava)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× tekniset suositukset

Menestynein keino erolaajenemisjännityksen eliminoimiseksi on kiinteän PFA-lämmittimen käyttö ilman sisäistä metallisydäntä, jossa vastuslanka upotetaan suoraan PFA:han ilman jatkuvaa metallitukea. Jos metalliydin on välttämätön, suositellaan kierukkamaista käämirakennetta, joka sallii PFA:n ulottuvan ilman rajoituksia. Tai käytä jännitystä{2}}kevennettyä asennusta pehmeällä elastomeerikerroksella PFA:n ja mahdollisten jäykkien tukien välissä.

Asiantuntevan spesifikaation kehittäminen

Specify helical coil resistance wire (no continuous metal core) to reduce differential expansion stress to 1-2 MPa in a PFA heat rod in 50% NaOH at 150°C. This leads to an ESC initiation time >10 000 tuntia. Jos kiinteä metalliydin on väistämätön, käytä Invar-ydintä (nikkeli-rautaseos), jossa on PFA:lle sopiva CTE, ja lisää pehmeä silikonikuminen jännitystä vähentävä kerros. Insinööri hallitsee differentiaalisen lämpölaajenemisen aiheuttamaa vetojännitystä estääkseen ympäristöjännityshalkeilun johdinkoskettimessa.