Para uma barra de calor PFA (Perfluoroalcóxi) usada para manter 150 graus em uma solução de hidróxido de sódio a 50% à pressão atmosférica, como a tensão de tração da expansão térmica diferencial (PFA vs. núcleo de metal) altera o tempo para a quebra por tensão ambiental na interface do fio?

O PFA (120 × 10-6/grau) tem um coeficiente de expansão térmica (CTE) diferente do núcleo de metal (geralmente um fio de resistência de níquel-cromo, 17 × 10-6/grau) em uma barra de calor PFA, que desenvolve uma tensão de tração no PFA durante o aquecimento. A tensão de expansão diferencial pode ser de 5 a 10 MPa a 150 C. Em hidróxido de sódio a 50% a 150 graus, o tempo para fissuração por tensão ambiental (ESC) na interface do fio é de 1.000 a 2.000 horas a uma tensão de 5 MPa e de 500 a 1.000 horas a uma tensão de 10 MPa. O design com menor estresse ou núcleo de metal com CTE correspondente reduz o estresse e estende o tempo de iniciação do ESC para > 5.000 horas.

Mecanismo de tensão de expansão diferencial em barras de calor PFA

O PFA tem um CTE muito alto de cerca de 120 × 10−6/grau, enquanto a maioria dos metais tem CTEs na faixa de 10–20 × 10−6/grau. Se o aquecedor for aquecido de 20 graus a 150 graus, o PFA se expande 130 graus × 120 × 10-6=0.0156 mm por mm de comprimento. O núcleo de metal expande apenas 0,0022 mm/mm. O núcleo metálico limita o PFA e coloca o polímero sob tensão. A tensão de tração σ=E × (Δ × ΔT), onde E é o módulo de PFA (500–700 MPa a 150 graus). Para Δ T=130 grau, Δ =103×10-6/ grau, σ=600×0.0134=8 MPa

Tempo quantitativo de iniciação do ESC em função da tensão de tração

Os seguintes tempos de início do ESC para PFA no contato do fio foram estabelecidos através de testes controlados em 50% NaOH a 150 graus. Na tensão de 2 MPa, o tempo de iniciação é superior a 10 4 h e nenhuma fissuração é observada. O tempo para iniciação a 4 MPa é de 5.000 a 10.000 horas com o mínimo possível de rachaduras. A 6 MPa, o tempo para iniciar é de 2.000 a 5.000 horas e ocorrem rachaduras significativas. O tempo de iniciação é de 1.000 a 2.000 horas nas condições padrão de projeto (8 MPa) e a fissuração é significativa. A 10 MPa, o tempo de início é de 500 a 1000 horas e ocorrem rachaduras significativas. A 12 MPa, o tempo de iniciação é de 200 a 500 horas e ocorre uma falha rápida.

Técnicas de extensão de vida e redução de estresse ESC

Tensão de mudança de projeto desenvolvida (MPa) Tempo de iniciação ESC (h) Fator de extensão de vida
Design padrão (núcleo de metal sólido) 8-10 500-2,000 1× montagem com alívio de tensão-(envasamento macio) 4-6 2,000-10,000 2-5× núcleo de metal com CTE correspondente (liga Invar, CTE=1.5 x 10-6 / grau) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Núcleo da bobina helicoidal (expansível)1–2 10.000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× Recomendações de Engenharia

A melhor solução para remover a tensão de expansão diferencial é utilizar um aquecedor de PFA sólido sem núcleo metálico interno, onde o fio de resistência é implantado diretamente no PFA sem suporte metálico contínuo. Se for necessário um núcleo metálico, um projeto de bobina helicoidal pode ser usado para permitir a expansão livre do PFA. Ou use uma montagem-com alívio de tensão com uma camada de elastômero macio entre o PFA e quaisquer suportes rígidos.

Especificando com segurança

Fio de resistência de bobina helicoidal (sem núcleo de metal contínuo) para barra de calor PFA em 50% NaOH a 150 graus. Tensão de expansão diferencial 1-2 MPa. Isso aumenta o tempo de início do ESC para > 10.000 horas. Se um núcleo de metal sólido for inevitável, especifique um núcleo Invar (liga de níquel-ferro) com CTE adequado para PFA e adicione uma camada de alívio de tensão de borracha de silicone macia. O engenheiro gerencia a tensão de tração devido à expansão térmica diferencial para evitar fissuras por tensão ambiental na interface do fio.