PFA (perfluoroalkoksü) kuumutusvarda puhul, mida kasutatakse 150 kraadi hoidmiseks 50% naatriumhüdroksiidi lahuses atmosfäärirõhul, kuidas muudab diferentsiaalsest soojuspaisumisest tulenev tõmbepinge (PFA vs. metallsüdamik) aega, mis kulub juhtmeliideses keskkonnastressi pragunemiseni?

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 tundi.

PFA-soojusvarraste diferentsiaalpaisumispingemehhanism

PFA CTE on erakordselt kõrge, 120 × 10⁻⁶ kraadi kohta, samas kui enamiku metallide CTE väärtused on 10–20 × 10⁻⁶ kraadi kohta. Kui kütteseadet kuumutatakse 20 kraadilt 150 kraadini, paisub PFA 130 kraadi * 120 * 10-6=0.0156mm pikkuse mm kohta. Metallist südamik paisub vaid 0,0022 mm/mm. Metallist südamik piirab PFA-d ja tõmbab polümeeri pingesse. Tõmbepinge σ=E × (Δ × ΔT), kus E on PFA moodul (500–700 MPa 150 kraadi juures). ΔT=130 kraadi ja Δ=103 * 10-6 / kraad puhul σ=600 * 0.0134=8 MPa.

ESC initsiatsiooniaeg tõmbepinge vastu (kvantitatiivne)

Kontrollitud testimine 50% NaOH-s 150 kraadi juures on määranud järgmised ESC käivitusajad PFA jaoks traadi liideses. Initsiatsioonini kuluv aeg pingel 2 MPa on üle 10 000 tunni ja pragusid pole näha. 4 MPa juures on algusaeg 5000–10 000 tundi ja võib esineda vähest pragunemist. 6 MPa juures on käivitusaeg 2000-5000 tundi, tekib kerge pragunemine. 8 MPa (standardse konstruktsiooni keskmine) juures on algusaeg 1000-2000 tundi ja pragunemine on märkimisväärne. 10 MPa juures on algusaeg 500-1000 tundi ja tugev pragunemine. Algusaeg on 200-500 tundi 12 MPa juures, seejärel kiire rike.

Stressi vähendamise strateegiad ja ESC eluea pikendamine

Disaini muutus Stressi muutus (MPa) Algusaeg (h) Eluea pikendamise tegur
Standarddisain (tahke metallsüdamik) 8–10 500–2,000 1x pingevaba-kinnitus (pehme pott) 4–6 2,000–10,000 2–5x metallist südamik sobiva CTE-ga (Invar sulam, CTE=1.5′′ × 10′ kraadi) 2–3 5,000–15,000 5–10x
Spiraalne mähisüdamik (võimaldab laienemist) 1–2 10,000–20,000 10–20 ×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20 × tehnilised soovitused

Kõige edukam vahend diferentsiaalse paisumispinge kõrvaldamiseks on sisemise metallsüdamikuta tahke PFA-soojendi kasutamine, milles takistustraat maetakse otse PFA-sse ilma pideva metalltoeta. Kui metallsüdamik on vajalik, on soovitatav kasutada spiraalset spiraali, mis võimaldab PFA-l piiranguteta pikendada. Või kasutage pingevaba-paigaldust pehme elastomeerikihiga PFA ja mis tahes jäikade tugede vahel.

Teadliku spetsifikatsiooni väljatöötamine

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 tundi. Kui tahke metallsüdamik on vältimatu, kasutage Invari (nikli-rauasulam) südamikku koos PFA-ga sobiva CTE-ga ja lisage pehme silikoonkummist pingeid vähendav kiht. Insener kontrollib diferentsiaalsest soojuspaisumisest tekkivat tõmbepinget, et vältida juhtmekontakti keskkonnamõjude lõhenemist.