Wie verändert die Zugspannung aus der unterschiedlichen Wärmeausdehnung (PFA vs. Metallkern) bei einem PFA-Heizstab (Perfluoralkoxy), der zur Aufrechterhaltung einer Temperatur von 150 Grad in einer 50-prozentigen Natriumhydroxidlösung bei Atmosphärendruck verwendet wird, die Zeit bis zur Spannungsrissbildung an der Drahtschnittstelle?
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Das PFA (120 × 10-6 / Grad) hat einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) als der Metallkern (normalerweise ein Nickel-Chrom-Widerstandsdraht, 17 × 10-6 / Grad) in einem PFA-Heizstab, der beim Erhitzen eine Zugspannung im PFA entwickelt. Die unterschiedliche Ausdehnungsspannung kann bei 150 °C 5–10 MPa betragen. In 50 %iger Natriumhydroxidlösung bei 150 °C beträgt die Zeit bis zur Spannungsrissbildung (ESC) an der Drahtschnittstelle 1.000–2.000 Stunden bei 5 MPa Spannung und 500–1.000 Stunden bei 10 MPa Spannung. Stressreduziertes Design oder Metallkern mit passendem CTE reduzieren die Belastung und verlängern die ESC-Einschaltzeit auf > 5.000 Stunden.
Mechanismus der unterschiedlichen Ausdehnungsspannung in PFA-Heizstäben
PFA hat einen sehr hohen WAK von etwa 120 × 10−6/Grad, wohingegen die meisten Metalle einen WAK im Bereich von 10–20 × 10−6/Grad haben. Wenn die Heizung von 20 Grad auf 150 Grad erhitzt wird, dehnt sich das PFA um 130 Grad × 120 × 10-6=0.0156 mm pro mm Länge aus. Der Metallkern dehnt sich nur um 0,0022 mm/mm aus. Der Metallkern begrenzt das PFA und setzt das Polymer unter Stress. Die Zugspannung σ=E × (Δ × ΔT), wobei E der Modul von PFA ist (500–700 MPa bei 150 Grad). Für Δ T=130 Grad, Δ =103×10-6/ Grad, σ=600×0.0134=8 MPa
Quantitative Zeit der ESC-Initiierung als Funktion der Zugspannung
Die folgenden ESC-Startzeiten für PFA am Drahtkontakt wurden durch kontrollierte Tests in 50 % NaOH bei 150 Grad ermittelt. Bei einer Spannung von 2 MPa beträgt die Entstehungszeit mehr als 10 4 h und es ist keine Rissbildung zu beobachten. Die Zeit bis zur Initiierung beträgt bei 4 MPa 5.000 bis 10.000 Stunden, wobei eine minimale Rissbildung möglich ist. Bei 6 MPa beträgt die Startzeit 2000–5000 Stunden und es kommt zu erheblicher Rissbildung. Die Initiierungszeit beträgt 1.000–2.000 Stunden bei den Standardauslegungsbedingungen (8 MPa) und die Rissbildung ist erheblich. Bei 10 MPa beträgt die Startzeit 500–1000 Stunden und es kommt zu erheblicher Rissbildung. Bei 12 MPa beträgt die Auslösezeit 200–500 Stunden und es kommt zu einem schnellen Versagen.
ESC-Techniken zur Lebensverlängerung und Stressreduzierung
Design Change Stress Developed (MPa) ESC-Initiationszeit (Std.) Lebensdauerverlängerungsfaktor
Standardausführung (massiver Metallkern) 8-10 500-2,000 1× Spannungsfreier Einbau (weicher Verguss) 4-6 2,000-10,000 2-5× Metallkern mit passendem WAK (Invar-Legierung, WAK=1.5 x 10-6 / Grad) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Spiralförmiger Spulenkern (erweiterbar)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× technische Empfehlungen
Die beste Lösung zur Beseitigung unterschiedlicher Ausdehnungsspannungen ist die Verwendung einer massiven PFA-Heizung ohne inneren Metallkern, bei der der Widerstandsdraht ohne durchgehende Metallunterstützung direkt in die PFA implantiert wird. Wenn ein metallischer Kern erforderlich ist, kann ein spiralförmiges Spulendesign verwendet werden, um eine freie Ausdehnung des PFA zu ermöglichen. Oder verwenden Sie eine spannungsentlastete Halterung mit einer weichen Elastomerschicht zwischen dem PFA und allen starren Stützen.
Spezifizieren mit Sicherheit
Spiralförmiger Widerstandsdraht (kein durchgehender Metallkern) für PFA-Heizstab in 50 % NaOH bei 150 Grad. Differenzielle Ausdehnungsspannung 1-2 MPa. Dadurch wird die ESC-Startzeit auf > 10.000 Stunden verschoben. Wenn ein massiver Metallkern unvermeidbar ist, geben Sie einen Invar-Kern (Nickel-Eisen-Legierung) mit einem für PFA geeigneten WAK an und fügen Sie eine weiche Schicht zur Spannungsentlastung aus Silikonkautschuk hinzu. Der Ingenieur steuert die Zugspannung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung, um umgebungsbedingte Spannungsrisse an der Drahtschnittstelle zu vermeiden.
