یک صفحه حرارتی فولادی با روکش PTFE{0}} که بعد از صد دوره کامل به نظر میرسد ممکن است بعد از ده هزار تاول کوچک و لایهبرداری لبهها ایجاد شود. علت اصلی یک حمله شیمیایی نیست، بلکه یک استرس مکانیکی بیوقفه است-فولاد با گرما منبسط میشود، در حالی که پوشش PTFE نمیخواهد دنبال شود، و این کشش بیصدا--جنگ در خط پیوند اتمی انجام میشود. درک کردنورق فولادی چسبنده پوشش PTFE انبساط حرارتیرفتار برای مشخص کردن پوششهایی که سالها از گرمایش و سرمایش چرخهای بدون لایهبرداری دوام میآورند ضروری است.
ضریب عدم تطابق انبساط حرارتی
هر ماده با گرم شدن منبسط می شود و وقتی سرد می شود منقبض می شود. مقدار این تغییر ابعادی با ضریب انبساط حرارتی (CTE) تعیین می شود. برای دو جزء اصلی یک صفحه پوشش داده شده، مقادیر CTE به طور چشمگیری متفاوت است:
PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن):تقریباً 120 × 10-6 / درجه (در محدوده 20-100 درجه)
فولاد ضد زنگ 316L:تقریباً 17 × 10-6 / درجه
PTFE برای افزایش دما تقریباً هفت برابر بیشتر از فولاد منبسط می شود. روی صفحه ای به عرض 300 میلی متر که از 20 درجه تا 200 درجه گرم شده است، فولاد حدود 0.9 میلی متر منبسط می شود. PTFE مهار نشده تقریباً 6.5 میلی متر منبسط می شود. اما روکش PTFE آزاد نیست-به سطح فولاد چسبانده شده است. این باعث می شود که پوشش کشیده شود و با فلز فشرده شود و تنش های داخلی ایجاد شود.
چرا نرمی PTFE مشکل را حل نمی کند؟
در نگاه اول، نرمی و انعطاف پذیری PTFE ممکن است به نظر می رسد که ناهماهنگی را در خود جای دهد. پلیمر می تواند تا حدی به صورت کشسانی کشش یابد. با این حال، مشکل واقعی در PTFE حجیم نیست، بلکه در لایه پرایمر سفت و سختی است که PTFE را به فلز متصل می کند. اکثر پوششهای PTFE با کارایی بالا به یک پرایمر-یک لایه نازک پخته شده-روی لایه حاوی چسب-پلیمرهای تقویت کننده و اغلب پرکنندههای سرامیکی نیاز دارند. این پرایمر سخت، شکننده است و CTE نزدیک به فولاد دارد تا PTFE.
خط باند پوشش یک تمرین میکروسکوپی است که هر بار که صفحه گرم می شود و سرد می شود. در هنگام گرم شدن{1}}فولاد منبسط میشود و لایه آغازگر را به بیرون میکشد. PTFE بالای پرایمر می خواهد بیشتر گسترش یابد اما محدود است. در رابط، تنشهای برشی میکرو- ایجاد میشود. در هنگام خنک شدن-فولاد منقبض می شود و پوشش را فشرده می کند. در طی یک چرخه، این تنش ها ممکن است کوچک باشند. با این حال، طی هزاران چرخه، خستگی در ضعیفترین نقطه-معمولاً در سطح مشترک بین پرایمر و فلز یا بین پرایمر و پوشش رویی جمع میشود.
حالت های شکست از انبساط حرارتی چرخه ای
دو حالت شکست متمایز در صفحات پوشش داده شده PTFE- که در معرض چرخه حرارتی مکرر قرار دارند مشاهده می شود:
لایه برداری لبه (شکست چسب):تنش در لبه های صفحه که در آن پوشش خاتمه می یابد متمرکز می شود. با هر چرخه، تنش برشی پوشش را از لبه به سمت داخل می کشد. ترکهای کوچکی در مرز ایجاد میشوند و منتشر میشوند و باعث میشوند PTFE از سطح فلز دور شود. این معمولاً یک خرابی تمیز در رابط{3}}پرایمر فلزی است.
تاول (شکست منسجم درون پرایمر):وقتی لایه پرایمر بیش از حد سفت و سخت باشد و انعطافپذیری داخلی نداشته باشد، ترکهای میکرو-در داخل خود پرایمر ایجاد میشوند. این ترک ها اجازه می دهد تا رطوبت یا بخار در زیر پوشش بالا جمع شود. با گرم شدن بعدی، گازهای به دام افتاده منبسط می شوند و تاول هایی تشکیل می دهند. این حالت شکست اغلب با ظاهری مبهم یا تغییر رنگ روی سطح پوشش انجام می شود.
راه حل Graded Primer: جذب استرس از طریق انطباق
یک راه حل مدرن برای مشکل عدم تطابق CTE، یک سیستم-پرایمر چندلایه با ترکیبی است که به تدریج از یک شیمی صلب، فلزی-به یک لایه سازگارتر با فلوروپلیمر- انعطاف پذیرتر تبدیل می شود. این به عنوان رابط انطباق درجه بندی شده شناخته می شود.
چگونه کار می کند:لایه اول (که مستقیماً روی فولاد اعمال می شود) حاوی غلظت بالایی از تقویت کننده های چسبندگی و پرکننده های حرارتی است. به طور تهاجمی به فلز می چسبد و CTE نزدیک به فولاد دارد. لایه های بعدی حاوی مقادیر فزاینده ای از PTFE یا سایر فلوروپلیمرهای سازگار هستند. هر لایه دارای CTE کمی بالاتر و مدول کمتری نسبت به لایه زیر است. بالاترین لایه پرایمر نرم و منعطف است و کاملاً با روکش PTFE مطابقت دارد.
مکانیسم جذب استرس:هنگامی که صفحه گرم می شود، تنش برشی در ضخامت پرایمر درجه بندی شده توزیع می شود نه اینکه در یک رابط تیز متمرکز شود. هر لایه کمی تغییر شکل می دهد و بخشی از عدم تطابق انبساط را جذب می کند. نتیجه یک تنش اوج بسیار کمتر در هر نقطه مشخص است. پیوندی که به طور منسجم در پرایمر شکست میخورد (و نه در سطح فلز) در واقع نشانهای از این است که سیستم همانطور که در نظر گرفته شده است کار میکند-به جای شکستن پیوند مهم چسبنده به فولاد، تنش در جایی که ماده میتواند تغییر شکل پلاستیکی دهد جذب میشود.
کمی سازی سود: داده های تست چرخه ای
آزمایش عمر تسریع شده صفحات پوشش داده شده PTFE با و بدون لایه آغازگر درجه بندی شده تفاوت های واضحی را نشان می دهد. یک سیستم دو لایه معمولی (پرایمر + روکش بالایی) معمولاً بعد از 2000 تا 3000 چرخه حرارتی از محیط تا 200 درجه شروع به لایه برداری لبه می کند. یک سیستم پرایمر درجه بندی شده با چهار یا بیشتر لایه انتقالی به طور معمول بیش از 20000 چرخه بدون از دست دادن چسبندگی قابل مشاهده است. این بهبود مستقیماً از طراحی انطباق درجه بندی شده ناشی می شود.
ملاحظات عملی برای انتخاب پوشش
هنگام تعیین یک پوشش PTFE برای یک صفحه فولادی که تحت چرخه حرارتی مکرر قرار می گیرد، عوامل زیر باید ارزیابی شوند:
معماری پرایمر:از تامین کننده پوشش بپرسید که آیا یک آغازگر درجه بندی شده یا چند لایه{0}}در دسترس است. همه پوشش های PTFE این ویژگی را ندارند.
حداکثر دمای عملیاتی:دماهای بالاتر استرس عدم تطابق CTE را افزایش می دهد. بالای 260 درجه، PTFE شروع به تحلیل می کند، اما مدت ها قبل از آن، استرس دوچرخه سواری شدید می شود.
ضخامت صفحه:صفحات ضخیم تر به صورت مطلق بیشتر منبسط می شوند (برای همان CTE). صفحات نازکتر انعطافپذیرتر هستند و میتوانند مقداری ناهماهنگی را از طریق خم شدن در خود جای دهند، اما همچنین سریعتر گرم و سرد میشوند و تعداد چرخهها را افزایش میدهند.
درمان لبه:لبه های گرد یا پخ در مقایسه با گوشه های تیز 90 درجه، تمرکز تنش را کاهش می دهند. پوشش باید کمی از ناحیه گرم شده امتداد یابد تا از پایان ناگهانی در ناحیه{2}}تنش زیاد جلوگیری شود.
نتیجه گیری: پیروزی شیمی پرایمر
چسبندگی طولانی مدت یک پوشش PTFE بر روی یک صفحه فولادی صرفاً تابعی از استحکام باند اولیه نیست. این یک پیروزی شیمی آغازگر است که تنشهای بیصدا و مکرر انبساط حرارتی را جذب میکند که در غیر این صورت پس از هزاران چرخه، پوشش را از بین میبرد. یک رابط انطباق درجه بندی شده، که لایه به لایه از شیمی اتصال فلز سفت- به سطح فلوروپلیمر انعطاف پذیر ساخته شده است، عدم تطابق CTE را از یک نقص کشنده به یک پارامتر طراحی قابل کنترل تبدیل می کند. قویترین پیوند فقط یک حلقه قوی نیست، بلکه یک زنجیر تنشزدای تدریجی-است و برای صفحات فولادی با روکش PTFE، این زنجیره در پرایمر ساخته میشود.
