یک پرس قالبگیری فشاری صفحه دوقطبی را برای یک پیل سوختی تشکیل میدهد، بخشی که از کامپوزیت پلیمری بسیار رسانا-پر شده از گرافیت ساخته شده است. صفحه گرمایش خود یک بلوک فلزی عظیم و زمینی است. اگر پلاستیک داغ و رسانا به طور تصادفی با سطح فلزی لخت صفحه تماس بگیرد، در حالی که عناصر گرمایش الکتریکی فعال هستند، می تواند یک اتصال کوتاه مستقیم، یک قوس خطرناک یا یک مسیر جریان سرگردان از طریق خود قطعه ایجاد کند. سطح صفحه باید یک عایق الکتریکی کامل و نشکن باشد. این مقاله مشخصات عینی را برای aمشخصات قطعه کار رسانای صفحه حرارتیبا تمرکز بر روی پوشش های عایق الکتریکی، آزمایش دی الکتریک و دوام مکانیکی.
چالش ایمنی الکتریکی
-پلیمرهای پرشده از کربن- مورد استفاده در صفحات دوقطبی پیل سوختی، اجزای محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و قطعات آنتی استاتیک رسانا-حاوی پرکنندههای رسانای کافی (گرافیت، کربن سیاه، الیاف کربن یا نانولولههای کربنی) برای رسانایی الکتریکی قطعه کار تمامشده هستند. در طول پردازش، پلیمر داغ نرم و سازگار است. اگر با سطح فلزی لخت صفحه تماس پیدا کند، یک مسیر الکتریکی می تواند از عناصر گرمایش داخلی (که از نظر الکتریکی زنده هستند اما توسط میکا یا سرامیک از بدنه صفحه عایق شده اند) از طریق زمین صفحه و سپس از طریق قطعه کار رسانا ایجاد شود. نتیجه می تواند اتصال کوتاه، قوس الکتریکی موضعی، آسیب به کنترل کننده بخاری یا حتی خطر شوک الکتریکی برای اپراتورها باشد.
راه حل این است که اطمینان حاصل شود که سطح کار صفحه-ناحیهای که با قطعه کار تماس میگیرد-از بدنه فلزی زمین شده صفحه جدا شده است. صفحه باید از یک دستکش عایق ضخیم، سرامیکی یا پلاستیکی استفاده کند، یک سپر الکتریکی نشکن که از تماس بخاری های داخلی و زنده با قسمت رسانا و داغ جلوگیری می کند.
مشخصات لایه عایق الکتریکی
گزینه های مواد پوشش
دو دسته اولیه از مواد برای عایق کاری سطح صفحه گرمایشی که پلیمرهای رسانا را پردازش می کند مناسب هستند:
پوشش سرامیکی{0}}پاشیده شده با پلاسما- معمولاً اکسید آلومینیوم (Al2O3) یا زیرکونیا تا حدی تثبیت شده (ZrO2). این پوششها بسیار سخت، مقاوم در برابر سایش و مقاومت در برابر دماهای بالا (تا 1000 درجه) هستند. آنها همچنین در برابر سایش پلیمری که تحت فشار جریان دارد، مقاومت می کنند. ضخامت پوشش معمولاً 0.2-0.5 میلی متر است. سرامیک اسپری شده پلاسما استحکام دی الکتریک عالی و استحکام مکانیکی را ارائه می دهد.
پوشش ضخیم فلوروپلیمر (PTFE یا PFA)– به صورت پراکندگی مایع اعمال می شود و سپس زینتر می شود. حداقل ضخامت 0.5 میلی متر (500 میکرومتر) برای عایق الکتریکی قابل اعتماد مورد نیاز است. پوششهای نازکتر (پوششهای PTFE معمولی 25 تا 50 میکرومتری) برای ایمنی الکتریکی کافی نیستند زیرا حاوی سوراخهای میکروسکوپی هستند. پوششهای ضخیم فلوئوروپلیمر فیلم نرمتر از سرامیکها هستند، اما خواص نچسب بسیار خوبی دارند، که اگر پلیمر رسانا تمایل به چسبیدن به صفحه داشته باشد، میتواند مفید باشد.
برای فرآیندهای شامل فشار مکانیکی بالا (مثلاً قالبگیری فشاری در 10-50 مگاپاسکال)، پوشش سرامیکی معمولاً ترجیح داده میشود زیرا در برابر ترک خوردن و خزش تحت بار مقاومت میکند. برای کاربردهای فشار کمتر (به عنوان مثال، لمینیت یا پرس گرم)، یک پوشش PTFE ضخیم قابل قبول است و تعمیر آن آسان تر است.
الزامات استحکام دی الکتریک
پوشش عایق باید دارای استحکام دی الکتریک کافی برای مقاومت در برابر ولتاژ عملیاتی کامل عناصر گرمایش داخلی، به علاوه یک حاشیه ایمنی زیاد باشد. بخاری های صفحه ای معمولی با ولتاژ 240 ولت AC، 480 ولت متناوب متناوب یا گاهی اوقات بالاتر کار می کنند. مقاومت دی الکتریک مورد نیاز پوشش به صورت زیر محاسبه می شود:
استحکام دی الکتریک مورد نیاز (کیلو ولت بر میلی متر)=(ولتاژ کاری × ضریب ایمنی) / ضخامت پوشش
ضریب ایمنی 10 تا 20 معمولاً برای برنامههای{2}}با قابلیت اطمینان بالا اعمال میشود. برای یک صفحه 480 ولتی با پوشش 0.5 میلی متری ضخامت، ضریب ایمنی 10 نیاز (0.48 kV × 10) / 0.5 mm=9.6 kV/mm را می دهد. بیشتر پوشش های سرامیکی به راحتی از 20 کیلو ولت بر میلی متر فراتر می روند. پوشش های PTFE ضخیم تقریباً 20-40 کیلو ولت بر میلی متر نیز فراهم می کنند.
در مشخصات باید به صراحت بیان شود: "سیستم پوشش باید دارای استحکام دی الکتریک تایید شده، تست شده بر اساس ASTM D149 (روش تست استاندارد برای ولتاژ شکست دی الکتریک و قدرت دی الکتریک)، زمانی که از طریق ضخامت پوشش کامل اندازه گیری می شود، کمتر از [به عنوان مثال، 15 کیلو ولت] نباشد."
یکپارچگی و پوشش پوشش
لایه عایق باید بدون سوراخ{0}}در کل سطح کار پیوسته و بدون سوراخ باشد. علاوه بر این، تمام لبهها، گوشهها، سوراخهای نصب و هر ویژگی دیگری روی صفحه که میتواند با قطعه کار تماس پیدا کند باید کاملاً پوشش داده شود. لبههای بدون پوشش یا سوراخهای بست، نقاط رایج شکست الکتریکی هستند، زیرا پلیمر رسانا میتواند به شکافهای کوچک جریان یابد.
مشخصات باید شامل الزامات زیر باشد:
بدون قرار گرفتن در معرض فلز برهنهروی هر سطحی که رو به قطعه کار است یا می تواند توسط پلیمر رسانا در حین پردازش تماس پیدا کند.
شعاع لبه- تمام گوشه های تیز روی صفحه باید قبل از پوشش گرد (حداقل شعاع 1 میلی متر) گرد شوند تا پوشش یکنواختی ایجاد شود و از ایجاد لکه های نازک جلوگیری شود.
نقاب زدن– مناطقی که پوشش مورد نظر نمی باشد (مثلاً رابط های نصب، سوراخ های ترموکوپل) باید در حین اعمال به وضوح مشخص و پوشانده شوند.
تست فشار بالا-مجموعه پوشش داده شده
بخش مهمی از مشخصات، تست هیپوت ولتاژ بالا (مقاومت دی الکتریک) پست{0}}پوشش{{1} است. این آزمایش تایید می کند که لایه عایق هیچ سوراخ، ترک یا آخال رسانایی ندارد. آزمایش بر روی صفحه کاملاً مونتاژ شده با عناصر گرمایش نصب و متصل انجام می شود.
روش تست
روش زیر به طور معمول مشخص می شود:
صفحه اجازه داده می شود تا دمای اتاق خنک شود.
سرنخ های المنت گرمایشی به هم وصل می شوند (کوتاه) و به یک ترمینال تستر hipot متصل می شوند.
بدنه فلزی صفحه (محفظه زمین) به پایانه دیگر تستر hipot متصل است.
یک ولتاژ آزمایشی اعمال می شود. ولتاژ آزمایش معمولاً دو برابر ولتاژ عملیاتی نامی به اضافه 1000 ولت است (به عنوان مثال، برای یک صفحه 480 ولت، ولتاژ آزمایشی=2 × 480 + 1000=1960 V AC، یا تقریباً 2000 ولت AC). روش دیگر، یک آزمایش DC با 1.414 برابر مقدار AC ممکن است استفاده شود.
آزمون به مدت 60 ثانیه برگزار می شود. جریان نشتی نباید از حد مشخص شده تجاوز کند (مثلاً 5 میلی آمپر).
در صورت بروز هرگونه قوس، جرقه یا نشتی بیش از حد، صفحه در تست شکست می خورد و باید دوباره پوشش داده شود یا تعمیر شود.
مشخصات باید مستلزم آن باشد که آزمایش hipot پس از پوشش دهی و دوباره پس از هر گونه عملیات ماشینکاری یا مونتاژ بعدی انجام شود. گواهی موفقیت آمیز بودن آزمایش هیپوت باید همراه با پلاتین باشد.
آزمایشهای اضافی برای فرآیندهای{0} فشار بالا
برای کاربردهای قالب گیری فشاری که در آن فشار مکانیکی اعمال می شود، پوشش عایق نیز باید بدون ترک باقی بماند. یک آزمون اختیاری اما توصیه شده استتست چرخه فشار{0}: صفحه پوشش داده شده در یک پرس نصب می شود و تحت 110% حداکثر فشار کاری (مثلاً 55 مگاپاسکال برای یک فرآیند 50 مگاپاسکال) برای تعداد چرخه مشخص (مثلاً 100 سیکل) قرار می گیرد. پس از انجام آزمایش، آزمایش هیپوت تکرار می شود. هیچ شکستگی یا ترک قابل مشاهده ای مجاز نیست.
دوام مکانیکی لایه عایق
پوشش نه تنها باید در برابر استرس الکتریکی، بلکه در برابر سایش مکانیکی، چرخه حرارتی و تماس شیمیایی با پلیمر مقاومت کند. مشخصات باید شامل موارد زیر باشد:
تست چسبندگی – Per ASTM D3359 (tape test) for PTFE coatings, or ASTM C633 for ceramic coatings. Minimum adhesion rating must be specified (e.g., 4B for PTFE, or >استحکام باند 30 مگاپاسکال برای سرامیک).
مقاومت در برابر شوک حرارتی- برای پوشش های سرامیکی، صفحه باید از دمای اتاق تا حداکثر دمای کارکرد (مثلاً 250 درجه) ده بار بدون ریزش یا ترک خوردگی چرخه شود.
مقاومت در برابر سایش– برای پوششهای PTFE، آزمایش سایش تابر (ASTM D4060) با حداکثر کاهش وزن مشخص پس از تعداد چرخههای مشخص.
نصب و راه اندازی عملی و اقدامات احتیاطی
حتی با وجود یک پوشش عایق مشخص و آزمایش شده، اپراتورها باید اقدامات ایمن را دنبال کنند:
صفحه باید به درستی مطابق با قوانین برق محلی به زمین متصل شود.
برای شناسایی هر مسیر جریان ناخواسته، یک سیستم-قطع کننده مدار خطای زمین (GFCI) یا یک سیستم نظارت بر خطای زمین-برای مدار گرمکن توصیه میشود.
پوشش باید به صورت دوره ای (مثلاً هر 500 ساعت کارکرد) از نظر خراشیدگی، بریدگی یا سایش بررسی شود. هر فلزی که در معرض دید قرار گرفته است باید فوراً با مواد پوششی سازگار تعمیر شود.
برای جلوگیری از خراشیدگی عایق، باقیمانده های پلیمری رسانا باید با استفاده از روش های غیر ساینده از سطح صفحه تمیز شوند.
نمونه بند مشخصات
در زیر نمونه ای از بند مشخصات است که می تواند در سند تدارکات گنجانده شود:
پوشش عایق برای پردازش قطعه کار رسانا
سطح کار صفحه گرمایش و تمام لبه هایی که ممکن است با قطعه کار تماس داشته باشند باید با یک لایه عایق الکتریکی بدون سوراخ{0} پیوسته پوشانده شوند. گزینه های پوشش عبارتند از: (الف) اکسید آلومینیوم پلاسما، حداقل ضخامت 0.3 میلی متر، یا (ب) PTFE ضخامت-، حداقل ضخامت 0.5 میلی متر. این پوشش باید دارای استحکام دی الکتریک حداقل 15 کیلو ولت مطابق با استاندارد ASTM D149 باشد. پس از پوشش، مونتاژ صفحه تکمیل شده باید آزمایش hipot را در 2000 ولت AC به مدت 60 ثانیه با جریان نشتی کمتر از 5 میلی آمپر پشت سر بگذارد. پوشش باید از آزمایش چرخه فشار 100 سیکلی در 110 درصد حداکثر فشار کاری بدون ترک یا شکست هیپوت دوام بیاورد. تمام نتایج آزمایش باید در گواهی انطباق ثبت شود.
نتیجهگیری: Platen بهعنوان{0}}تجهیزات ایمنی ولتاژ بالا
برای پردازش یک قطعه کار رسانا، سطح صفحه یک مانع ایمنی بحرانی- با ولتاژ بالا است و مشخصات آن باید لایه ای ضخیم، تایید شده و آزمایش شده از عایق الکتریکی را طلب کند. صفحه فلزی لخت غیر قابل قبول است. هر گونه تماس تصادفی با پلیمر رسانا و داغ می تواند یک اتصال کوتاه، قوس الکتریکی یا خطر الکتریکی ایجاد کند. مشخصات صحیح مستلزم پوشش سرامیکی یا فلوروپلیمری ضخیم با استحکام دی الکتریک تایید شده، پوشش کامل تمام فلزات در معرض، و آزمایش دقیق هیپوت مونتاژ نهایی است.
بشقاب فقط یک بشقاب داغ نیست. این یک قطعه از{0}}تجهیزات الکتریکی ولتاژ بالا است. هنگامی که قطعه کار خود به یک هادی تبدیل میشود، لایه عایق روی صفحه از یک ویژگی خوب-به-به یک جزء ضروری و حیاتی{4}}ایمنی تبدیل میشود. مشخصات مناسب تضمین می کند که پرس قالب گیری ایمن عمل می کند، ابزار محافظت می شود، و قطعات پلیمری رسانا بدون برخورد الکتریکی تشکیل می شوند.
