עבור מוט חום PFA (Perfluoroalkoxy) המשמש לשמירה על 150 מעלות בתמיסת 50% נתרן הידרוקסיד בלחץ אטמוספרי, כיצד מתח המתיחה כתוצאה מהתרחבות תרמית דיפרנציאלית (PFA לעומת ליבת מתכת) משנה את הזמן לפיצוח מתח סביבתי בממשק החוט?

ל-PFA (120 × 10-6/מעלה) יש מקדם התפשטות תרמית (CTE) שונה מאשר לליבה המתכתית (בדרך כלל חוט התנגדות ניקל-כרום, 17 × 10-6/מעלה) במוט חום PFA, אשר מפתח מתח מתיחה ב-PFA במהלך החימום. מתח התפשטות דיפרנציאלי עשוי להיות 5-10 MPa ב-150 C. ב-50% נתרן הידרוקסיד ב-150 מעלות הזמן עד לפיצוח מתח סביבתי (ESC) בממשק החוט הוא 1,000-2,000 שעות במתח של 5 MPa ו-500-1,000 שעות בלחץ של 10 MPa. עיצוב מופחת מתח או ליבת מתכת עם CTE תואמת מפחית את הלחץ ומאריך את זמן התחלת ESC עד ל-5,000 שעות.

מנגנון של מתח התפשטות דיפרנציאלי במוטות חום PFA

ל-PFA CTE גבוה מאוד של כ-120 × 10-6/מעלה, בעוד שלרוב המתכות יש CTE בטווח של 10-20 × 10-6/מעלה. אם המחמם מחומם מ-20 מעלות ל-150 מעלות, ה-PFA מתרחב ב-130 מעלות × 120 × 10-6=0.0156 מ"מ לכל מ"מ אורך. ליבת המתכת מתרחבת רק 0.0022 מ"מ/מ"מ. ליבת המתכת מגבילה את ה-PFA ומכניסה את הפולימר ללחץ. מתח המתיחה σ=E × (Δ × ΔT), כאשר E הוא מודול ה-PFA (500–700 MPa ב-150 מעלות). עבור Δ T=130 מעלות , Δ =103×10-6/ מעלות , σ=600×0.0134=8 MPa

זמן כמותי של התחלת ESC כפונקציה של מתח מתיחה

זמני ההתחלה של ה-ESC הבאים עבור PFA במגע החוט נקבעו באמצעות בדיקה מבוקרת ב-50% NaOH ב-150 מעלות. במתח של 2 MPa זמן ההתחלה הוא יותר מ-10 4 שעות ולא רואים סדקים. זמן ההתחלה ב-4 MPa הוא 5,000 עד 10,000 שעות עם פיצוח מינימלי אפשרי. ב-6 MPa זמן ההתחלה הוא 2000-5000 שעות ומתרחש פיצוח משמעותי. זמן הפתיחה הוא 1,000-2,000 שעות בתנאי התכנון הסטנדרטיים (8 MPa) והסדק הוא משמעותי. ב-10 MPa זמן ההתחלה הוא 500-1000 שעות ומתרחש פיצוח משמעותי. ב-12 MPa, זמן ההתחלה הוא 200-500 שעות ומתרחש כשל מהיר.

ESC הארכת חיים וטכניקות הפחתת מתח

שינוי עיצוב מתח מפותח (MPa) ESC התחלה זמן (שעה) גורם הארכת חיים
עיצוב סטנדרטי (ליבת מתכת מוצקה) 8-10 500-2,000 1× מתח-הרכבה משוחררת (עציץ רך) 4-6 2,000-10,000 2-5× ליבת מתכת עם CTE תואמת (סגסוגת Invar, CTE=1.5 x 10-6/מעלה ) 8-10 500-2},0
ליבת סליל סליל (ניתן להרחבה)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× המלצות הנדסיות

הפתרון הטוב ביותר להסרת מתח התפשטות דיפרנציאלי הוא שימוש במחמם PFA מוצק ללא ליבת מתכת פנימית, כאשר חוט ההתנגדות מושתל ישירות ב-PFA ללא תמיכת מתכת רציפה. אם יש צורך בליבה מתכתית, ניתן להשתמש בעיצוב סליל סליל כדי לאפשר התרחבות חופשית של ה-PFA. לחלופין, השתמש במתקן מופחת-עם שכבת אלסטומר רכה בין ה-PFA לכל תומך קשיח.

מפרט בביטחון

חוט התנגדות סליל סליל (ללא ליבת מתכת רציפה) עבור מוט חום PFA ב-50% NaOH ב-150 מעלות. מתח התפשטות דיפרנציאלי 1-2 MPa. זה דוחף את זמן ההתחלה של ESC ל-> 10,000 שעות. אם ליבת מתכת מוצקה היא בלתי נמנעת, ציין ליבת Invar (סגסוגת ניקל-ברזל) עם CTE המותאמת ל-PFA והוסף שכבת גומי סיליקון רכה להורדת מתחים. המהנדס מנהל את מתח המתיחה עקב התפשטות תרמית דיפרנציאלית כדי למנוע פיצוח מתח סביבתי בממשק החוט.