Za PFA (perfluoroalkoksi) toplinsku šipku koja se koristi za održavanje 150 stupnjeva u 50% otopini natrijevog hidroksida pri atmosferskom tlaku, kako vlačno naprezanje od diferencijalnog toplinskog širenja (PFA u odnosu na metalnu jezgru) mijenja vrijeme do pucanja pod utjecajem okoliša na sučelju žice?

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 sati.

Mehanizam diferencijalnog naprezanja širenja u PFA toplinskim šipkama

CTE PFA je iznimno visok, 120 × 10⁻⁶/stupanj, dok većina metala ima CTE vrijednosti od 10–20 × 10⁻⁶/stupanj. Kada se grijač zagrije s 20 stupnjeva na 150 stupnjeva, PFA se širi za 130 stupnjeva * 120 * 10-6=0.0156 mm po mm duljine. Metalna jezgra se širi samo 0,0022 mm/mm. Metalna jezgra ograničava PFA i vuče polimer u napetosti. Vlačno naprezanje σ=E × (Δ × ΔT) gdje je E modul PFA (500-700 MPa na 150 stupnjeva). Za ΔT=130 stupanj i Δ=103 * 10-6 / stupanj, σ=600 * 0.0134=8 MPa.

Vrijeme inicijacije ESC protiv vlačnog naprezanja (kvantitativno)

Kontroliranim testiranjem u 50% NaOH na 150 stupnjeva utvrđeno je sljedeće vrijeme početka ESC za PFA na sučelju žice. Vrijeme do inicijacije pri naprezanju od 2 MPa je više od 10 000 sati bez vidljivih pukotina. Pri 4 MPa, vrijeme početka je 5 000–10 000 sati i može doći do malog pucanja. Pri 6 MPa, vrijeme početka je 2000-5000 sati, javlja se blago pucanje. Pri 8 MPa (prosjek za standardni dizajn) vrijeme početka je 1000-2000 sati, a pucanje je značajno. Pri 10 MPa, vrijeme početka je 500-1000 sati i ozbiljno pucanje. Vrijeme početka je 200-500 sati pri 12 MPa, a zatim brzo kvar.

Strategije smanjenja stresa i ESC produljenje života

Promjena dizajna Promjena naprezanja (MPa) Vrijeme inicijacije (h) Faktor produljenja životnog vijeka
Standardni dizajn (puna metalna jezgra) 8–10 500–2,000 1x Montaža-oslobljena od naprezanja (meko zatvaranje) 4–6 2,000–10,000 2–5x Metalna jezgra s odgovarajućim CTE (invar legura, CTE=1.5 × 10⁻⁶ / stupanj ) 2–3 5,000–15,000 5–10x
Spiralna jezgra zavojnice (dopuštajući ekspanziju)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× inženjerske preporuke

Najuspješniji način eliminiranja diferencijalnog naprezanja širenja je korištenje čvrstog PFA grijača bez unutarnje metalne jezgre, u kojem je otporna žica ukopana izravno u PFA bez kontinuiranog metalnog nosača. Ako je potrebna metalna jezgra, tada se preporučuje dizajn spiralne zavojnice koji omogućuje da se PFA produži bez ograničenja. Ili upotrijebite-instalaciju s mekim elastomernim slojem između PFA i svih krutih nosača.

Razvijanje kvalificirane specifikacije

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 sati. Tamo gdje je čvrsta metalna jezgra neizbježna, upotrijebite jezgru od Invara (legura nikla-željeza) s CTE-om koji odgovara PFA i dodajte sloj za ublažavanje naprezanja od meke silikonske gume. Inženjer kontrolira vlačno naprezanje od diferencijalnog toplinskog širenja kako bi spriječio pucanje uzrokovano naprezanjem iz okoline na kontaktu žice.