Kuinka lämpölaajenemishäiriö PFA:n ja sisäisen metalliytimen välillä muuttaa liimauskerroksen eheyttä lämpöpyöräilyssä?

Jokaisessa PFA{0}}kapseloidussa uppolämmittimessä on metallinen lämmitysydin, joka on yleensä Incoloy 825:tä, titaania tai ruostumatonta terästä 316, jota ympäröi PFA-kerros. PFA-kerros joko suulakepuristetaan suoraan metalliin tai levitetään lämpökutistettuna putkena, jossa on välissä oleva liimauskerros. Tämä liimakerros on kaupallisissa lämmittimissä tyypillisesti 0,05–0,20 mm paksu ja sillä on kaksi tärkeää tehtävää: se kuljettaa lämpöä metalliytimestä ulompaan PFA-vaippaan ja estää delaminaatiota, joka voi johtaa kosteuden tunkeutumiseen ja sähkövuotoon. PFA:lla (100–120 ppm/aste) ja metallisydämellä (14–18 ppm/aste) on lämpölaajenemiskerroin (CTE), joka eroaa noin kuusi kertaa. Yli 30 cm:n pituudelta PFA pyrkii laajentumaan 0,8–1,2 % enemmän kuin metalliydin jokaisen kuumennusjakson aikana ympäristön lämpötilasta käyttölämpötilaan (esim. 25 - 150 astetta korkean lämpötilan happokylvyissä). Tämä ero laajentumisessa johtaa sykliseen leikkausjännitykseen PFA-metallirajapinnassa, joka kohdistuu sidosalueen päihin. Sidoskerroksen, joka on usein modifioitu fluoripolymeeri tai silaani{24}}pohjainen adheesiota edistävä aine, on hyväksyttävä tämä syklinen leikkausjännitys ilman vaurioita (yhtenäinen tai tahmea). Toistuva lämpötilan jaksotus tuhoaa hitaasti sidekerroksen väsymismekanismien vaikutuksesta, mikä lopulta aiheuttaa paikallista delaminaatiota ja ennenaikaista lämmittimen vikaa.

Leikkausjännityksen kehittyminen liimausrajapinnassa CTE-virheen aiheuttamana.
Ero lämpölaajenemiskertoimissa tuottaa epätasaisen jännityskentän, vaikkakin hyvin paikallisen, sidotun alueen päihin. Ota lämmitin, jossa on 50 cm pitkä metalliydin, joka on täysin suljettu PFA:lla. Vapaa (sitoutumaton) PFA venyisi noin 0,125 mm per cm pituus (CTE 110 ppm/aste × 125 astetta=0.01375 mm/cm) tai 0,69 mm yli 50 cm kuumennettaessa 25 astetta 150 asteeseen. Vapaa metalliydin laajenee 0,020 mm/cm (CTE 16 ppm/aste × 125 astetta=0.002 mm/cm) tai 0,10 mm 50 cm:n yli. Tämä 0,59 mm:n ero on kompensoitava sidoskerroksen leikkausmuodonmuutoksella. 50 cm pituisen sidoskerroksen keskimääräinen leikkausjännitys on vain 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12 %), mikä on merkityksetöntä. Sidontakerros ei kuitenkaan ole muuttunut tasaisesti koko pituudeltaan. Sidosalueen keskellä PFA ja metalli pakotetaan kulkemaan yhdessä ja suhteellinen siirtymä on nolla. Liimatun alueen päiden on kestettävä koko 0,59 mm:n laajenemisero lyhyellä etäisyydellä -tyypillisesti 2-5 mm sidoksen päästä. Tämä johtaa leikkausjännityksen konsentraatiokertoimeen, joka on 50-100 kertaa tyypillinen venymä. Perinteisen PFA-metallin päällä olevan lämmittimen, jossa on 0,10 mm paksu sidekerros, äärelliselementtimallinnus ennustaa 15-25 %:n suuruiset leikkaushuiput liitospäissä 125 asteen lämpötilan nousulle.

Useimmille modifioiduille fluoripolymeeriliimoille 15-25 %:n leikkausjännitys sidoskerroksessa vastaa 3-6 MPa:n leikkausjännitystä leikkausmoduulin perusteella (noin 20-30 MPa kumitilassa lasittumislämpötilan yläpuolella). Tämä jännitystaso on pienempi kuin juuri levitetyn liimakerroksen leikkauslujuus (yleensä 8–12 MPa). Sidoskerros kestää yhden lämpösyklin. Sama leikkaushuippu toistuu kuitenkin joka sykli, mikä aiheuttaa väsymisvaurion alkamisen. Liimakerroksen väsymisikä voidaan kuvata teholain avulla: Nf=A × (σleikkaus)−b, missä b on tavallisesti välillä 5 - 8 fluoripolymeeriliimoille. 5 MPa:n jännitys voi aiheuttaa vian 10 000 syklissä, mutta 3 MPa:n jännitys voi johtaa yli 50 000 jaksoon. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että lämmittimien, jotka toimivat 125 asteen lämpötilanvaihtelulla (esim. . 25 astetta 150 asteeseen), sidekerroksen väsymisikä on 5 000-15 000 sykliä, mutta 60 asteen heilahtelulla (esim. . 30 0,0 astetta 900,01 astetta) lämmittimen syklit.

Delaminoitumisen leviämisen mekanismit ja havaitseminen
Kun väsymisvaurio alkaa sidoksen päissä, delaminaatio etenee sisäänpäin rajapintaa pitkin kahta reittiä pitkin. Ensimmäinen mekanismi on syklinen leikkausväsymys. Jokaisessa lämpösyklissä sovelletaan samaa leikkausjännitysjakaumaa ja halkeama etenee 10-50 $\\mu$m sykliä kohti riippuen jännityksen intensiteettitekijästä halkeaman kärjessä. Kun delaminaatio kehittyy pidempään, sidospituus lyhenee ja leikkausjännitys uudessa halkeaman kärjessä kasvaa, koska yleinen erosiirtymä on mukautettava lyhyemmän jäljellä olevan sidospituuden yli. Tämä positiivinen palaute lisää etenemistä: 10 %:iin koko sidoksen pituudesta kehitetty delaminaatio kokee halkeaman kärjen leikkausjännityksiä 10–20 % suurempia kuin alkuperäinen sidospää, mikä saa sen etenemään nopeammin. Toinen tapa on hyökkäys ympäristöön. Syövyttävissä palveluissa, kuten happokylvyissä, emäksissä puhdistusliuoksissa tai märissä klooriasetuksissa, aggressiivinen väliaine imeytyy delaminaatiorakoon kapillaaritoiminnan kautta. Kemialliset lajit hyökkäävät joko itse sidekerrokseen tai metalliytimen pintaan ja muuttavat delaminaatiota puhtaasti mekaanisesta väsymismurtumasta korroosioavusteiseksi halkeamaksi. Puolijohdemärkäpenkkien PFA-lämmittimien kenttävika-analyysi osoittaa, että 70 % delaminaatiohäiriöistä tapahtuu prosessinesteelle alttiina olevissa sidospäissä, kun taas 30 % kuivassa (ylemmässä) sidospäässä nestelinjan yläpuolella. Tämä osoittaa, että ympäristön imeytyminen lisää epäonnistumista kertoimella 3-5.

Säännöllinen sähkötestaus vaaditaan sitovan kerroksen delaminoitumisen havaitsemiseksi ennen katastrofaalista romahtamista. Täysin sidotun PFA-lämmittimen, jossa on ehjä PFA, metalliytimen ja ulkopuolisen maadoituselektrodin välinen kapasitanssi on tasainen koko ajan. Delaminaatioprosessissa rajapinnalle syntyy ilmarako. Ilman dielektrisyysvakio on noin 1,0 ja PFA:n 2,1. Siten delaminoitunut osa ilmenee alhaisempana-kapasitanssiosena. Mittaa kapasitanssi lämmittimen pituudella joko segmentoidulla ulkoisella elektrodilla tai kääntämällä yksittäinen elektrodipuristin. Paikallista delaminaatiota ilmaisee yli 15 %:n kapasitanssin muutos vierekkäisten 5 cm:n osien välillä. Jos lämmittimessä on PFA-vaipan sisään upotettu maataso (yhteistä turvallisuusluokitelluissa malleissa), mittaa metalliytimen ja maatason välinen eristysvastus. Arvot putosivat 100–500 MΩ:sta 10–50 MΩ:iin 6–12 kuukauden aikana, mikä viittaa merkittävään delaminaatioon ja kosteuden tunkeutumiseen rakoon.

Muunnelmia liimauskerroksen suunnittelussa ja väsymiskäyttäytymisessä
Kaikki PFA{0}}--metallisidontamenetelmät eivät ole yhtä tehokkaita lämpötilakierrossa. On olemassa neljä tyypillistä rakennusstrategiaa, joista jokainen käyttää erilaista vastetta CTE:n epäsovitusrasitukseen. Ensimmäinen, väsymystä kestävin lähestymistapa yhdistää kemiallisesti syövytetyn metalliytimen ja pohjustuskerroksen modifioitua PFA:ta, jossa on reaktiivisia ryhmiä (maleiinihappoanhydridi tai vastaavat kytkentäaineet). Pohjuste reagoi kemiallisesti metallioksidikerroksen kanssa ja muodostaa kovalenttisen rajapinnan, ei pelkästään liimautuvaa. Tämä rakenne antaa 50 000 - 100 000 sykliä sidoskerroksen leikkausväsymiskestoa ΔT=100 asteessa. Toinen lähestymistapa sisältää mekaanisen lukituksen, jossa metalliydin hiekkapuhalletaan karkealle pinnalle (Ra=3–5 µm) ja PFA suulakepuristetaan suoraan karkealle pinnalle ilman lisäliimaa. PFA tunkeutuu pinnan epäpuhtauksiin aiheuttaen mekaanisen lukon. Tämä lähestymistapa johtaa 20 000-40 000 syklin väsymisikään, mutta epäonnistuu eri mekanismilla, toisin sanoen PFA repeytyy irti kuivuudesta sen sijaan, että sidekerros hajoaisi yhtenäisesti. Kolmas menetelmä perustuu vanteen jäännöspuristukseen lämpökutistetun PFA-putken kutistesovituksesta sileän metalliytimen päälle ilman pintakäsittelyä. Väsymisikä vaihtelee suuresti, 2 000 - 15 000 sykliä liiman kemiasta riippuen.

Seuraavassa taulukossa on esitetty sidekerroksen arvioitu väsymisikä kullekin valmistusmenetelmälle lämpösyklin suuruuden (ΔT), maksimikäyttölämpötilan ja kemiallisen ympäristön vakavuuden funktiona.

Rakennusmenetelmä Liimaus Max ΔT per sykli ( aste )