Kuidas mõjutab PTFE{0}}kattega terasplaadi termiline paisumine katte nakkumist tuhandete tsüklite jooksul?

PTFE{0}}kattega terasest kuumutusplaat, mis näeb pärast sadat tsüklit veatu välja, võib kümne tuhande tsükli järel hakata veidi villikeseks minema ja servadest kooruma. Põhipõhjus ei ole keemiline rünnak, vaid lakkamatu mehaaniline pinge-teras paisub kuumuse toimel, kuid PTFE-kate ei taha sellele järgneda ja see vaikne-no-tõmbamine toimub aatomisideme joonel. PTFE-katte soojuspaisumine adhesiooniterasest plaadi käitumise mõistmine on kriitilise tähtsusega kattekihtide määratlemisel, mis taluvad aastatepikkust tsüklilist kuumutamist ja jahutamist ilma delaminatsioonita.

Soojuspaisumise mittevastavuse koefitsient
Kõik materjalid paisuvad kuumutamisel ja tõmbuvad kokku jahutamisel. Soojuspaisumise koefitsient (CTE) kvantifitseerib selle mõõtmete muutuse ulatuse. Kaetud plaadi kahe peamise komponendi CTE väärtused on drastiliselt erinevad:

PTFE (polütetrafluoroetüleen): ~ 120 × 10-6 kraadi kohta (20-100 kraadi ulatuses)

316L roostevaba teras: umbes . 17 × 10⁻⁶ kraad

Sama temperatuurimuutuse korral paisub PTFE aga umbes seitse korda rohkem kui teras. Teras paisub umbes 0,9 mm 300 mm laiusel plaadil, mida kuumutatakse 20 kraadilt 200 kraadini. Piiramatu PTFE laieneks umbes 6,5 mm-ni. Kuid PTFE-kate pole vaba – see on kinnitatud pinnaterase külge. See põhjustab katte paindumist ja kokkutõmbumist metalliga, kogudes sisemisi pingeid.

Miks PTFE pehmus probleemi ei lahenda?
Esmapilgul võib PTFE pehmus ja paindlikkus tunduda ebakõla kompenseerivat. Polümeer võib veidi venida (elastselt). Kuid viga pole mitte PTFE-s, vaid jäigas krundikihis, mis kleepub metalli külge. Enamiku suure jõudlusega PTFE-katete jaoks on vaja krunti, mis on õhuke kleepuv-kiht, mis soodustab adhesiooni-polümeere, sageli keraamiliste täiteainetega. See krunt on jäik ja rabe ning CTE on terasele lähemal kui PTFE.

Iga kord, kui plaat soojeneb ja jahtub, muutub katte ühendusjoon mikroskoopiliseks. Kui teras kuumeneb, paisub see ja tõmbab kruntkihi väljapoole. Krundi peal olev PTFE tahab rohkem laieneda, kuid seda hoitakse tagasi. Need põhjustavad liideses mikro-nihkepingeid. Teras tõmbub kokku ja pigistab katet jahtudes. Ühe tsükli jooksul võivad pinged olla madalad. Kuid tuhandete tsüklite jooksul tekib väsimus kõige nõrgemas kohas, tavaliselt krundi ja metalli või krundi ja pealisvärvi vahelises liideses.

Rikkerežiimid tsüklilise soojuspaisumise tõttu
PTFE-ga kaetud plaatide puhul on pärast korduvat termilist tsüklit täheldatud kahte erinevat rikketüüpi:

Serva koorumine (liimi rike): pinged koonduvad plaadi servadesse, kus kate peatub. Igas tsüklis tõmbab nihkepinge katte servast sissepoole. Piirile tekivad väikesed praod, mis levivad, põhjustades PTFE metallpinnalt mahatõstmist. See on üldiselt puhas rike metalli-praimeri liideses.

Villid (krundi sidus purunemine): kui krundikiht on liiga kõva ja sisemine paindlikkus puudub, tekivad krundi enda sees mikro-praod. Need luumurrud võivad lasta niiskusel või aurul pealiskihi alla sattuda. Edasine kuumutamine põhjustab kinnijäänud gaaside laienemise ja villide tekkimise. Sellele tõrgete mustrile eelneb tavaliselt kattepinna hägune või värvimuutus.

Gradeeritud kruntlahendus: stressi neeldumine
Praegune lähenemisviis CTE mittevastavuse probleemi lahendamiseks on kasutada mitme{0}}kihilise kruntvärvi süsteemi, mis läheb aeglaselt üle jäigalt metalli{1}}sidumiskeemilt elastsemale, fluoropolümeer-sõbralikule kihile. Seda nimetatakse astmeliseks vastavuspiiriks.

Kuidas see toimib: esialgne kiht (mis kantakse otse terasele) sisaldab suures koguses adhesiooni soodustajaid ja termiliselt sobivaid täiteaineid. See kleepub agressiivselt metalli külge ja sellel on terasele lähedane CTE. Hilisemad kihid sisaldavad suurenevas koguses PTFE-d või muid ühilduvaid fluoropolümeere. Igal kihil on mõnevõrra kõrgem CTE ja madalam moodul kui aluskihil. Pealmine kruntvärv on pehme ja painduv ning sobib tihedalt PTFE pealisvärviga.

Pinge neeldumise mehhanism: kui plaati kuumutatakse, hajub nihkepinge sorteeritud krundi paksusele, mitte ei koondu ühele teravale liidesele. Iga kiht moonutab veidi, võttes osa laienemise lahknevusest. Tulemuseks on oluliselt madalam tipppinge igal hetkel. Tõepoolest, kruntvärvi sees (mitte metallpinnal) oleva sideme ühtlane purunemine on märk sellest, et süsteem toimib soovitud viisil – pinge neeldub kohas, kus materjal võib plastiliselt painduda, selle asemel, et katkestada oluline kleepuv side terasega.

Kasu mõõtmine: teave tsükliliste testide kohta
PTFE{0}}kaetud plaatide kiirendatud eluea testimine sorteeritud kruntkihtidega ja ilma nendeta näitab märkimisväärseid erinevusi. Tüüpilised 2-kihilised süsteemid (krunt + pealislakk) näitavad servade koorumist tavaliselt pärast 2000–3000 kuumutamistsüklit ümbritsevast temperatuurist 200 kraadini. Nelja või enama üleminekukihiga sorteeritud kruntsüsteem peab sageli ellu üle 20 000 tsükli ilma märgatava haardumiseta. Täiendus tuleneb astmelise vastavuse disainist.

Katte valik: praktilised kaalutlused
PTFE-katte määramisel terasplaadile, mis allub sagedasele temperatuuritsüklile, tuleks arvesse võtta järgmist.

Krundi ehitus: astmelise või mitmekihilise{0}}krundi saadavuse kohta küsige katte pakkujalt. Kõigil PTFE-katetel pole seda omadust.

Maksimaalne töötemperatuur Kõrgem temperatuur suurendab CTE ebakõla pinget. Tõsine tsükliline stress tekib palju enne PTFE lagunemise algust temperatuuril üle 260 kraadi.

Plaadi paksus: paksemad plaadid paisuvad absoluutarvudes rohkem (sama CTE-ga) Õhemad plaadid on paindlikumad ja võivad mõningase mittevastavuse kompenseerimiseks painduda, kuid need kuumenevad ja jahtuvad ka kiiremini, mis toob kaasa rohkem tsükleid.

Servatöötlus: Ümardatud või faasitud servad vähendavad pingekontsentratsiooni teravate 90-kraadiste nurkade vastu. Kate peaks ulatuma kuumutatavast alast veidi kaugemale, et see ei lakkaks järsult kõrge -stressi tsoonis.

Järeldus: praimerkeemia võit
PTFE-katte pikaajaline nakkumine-terasest plaadile ei sõltu ainult esialgsest sidumistugevusest. See on kruntkeemia meistriteos, mis neelab vaikse ja korduva soojuspaisumise rõhu, mis tavaliselt pärast tuhandeid tsükleid katte ära rebiks. CTE mittevastavus on siis pigem konstruktsiooniparameeter, mitte saatuslik viga, kuna astmeline vastavusliides võib tekkida kiht-kihi haaval, alates kõvametalli -sidumiskeemiast kuni painduva fluoropolümeeri pinnani. Tugevaim lüli ei ole mitte üksainus tugev lüli, vaid pinget leevendavate lülide kett ja PTFE{6}}kattega terasplaatide puhul on kett sepistatud kruntvärvis.