大気圧の 50% 水酸化ナトリウム溶液中で 150 度を維持するために使用される PFA (パーフルオロアルコキシ) ヒート ロッドの場合、熱膨張差による引張応力 (PFA 対メタル コア) は、ワイヤ界面での環境応力亀裂までの時間をどのように変化させますか?

PFA (120 × 10-6 / 度) は、PFA ヒート ロッドの金属コア (通常はニッケル - クロム抵抗線、17 × 10-6 / 度) とは異なる熱膨張係数 (CTE) を持ち、加熱中に PFA に引張応力が発生します。膨張差応力は、150℃で 5 ～ 10 MPa になる可能性があります。150 度の 50% 水酸化ナトリウム中では、ワイヤ界面で環境応力亀裂 (ESC) が発生するまでの時間は、5 MPa 応力で 1,000 ～ 2,000 時間、10 MPa 応力で 500 ～ 1,000 時間です。応力緩和設計または一致する CTE を備えた金属コアにより応力が軽減され、ESC の開始時間が > 5,000 時間に延長されます。

PFAヒートロッドの膨張差応力のメカニズム

PFA の CTE は約 120 × 10−6 / 度という非常に高いですが、ほとんどの金属の CTE は 10 ～ 20 × 10−6 / 度の範囲です。ヒーターが 20 度から 150 度に加熱されると、PFA は長さ 1 mm あたり 130 度 × 120 × 10-6=0.0156 mm 膨張します。メタルコアの伸びはわずか0.0022mm/mmです。金属コアは PFA を制限し、ポリマーにストレスを与えます。引張応力 σ=E × (Δ × ΔT)、ここで E は PFA の弾性率 (150 度で 500 ～ 700 MPa)。 Δ T=130 度の場合、Δ =103×10-6/ 度、σ=600×0.0134=8 MPa

引張応力の関数としての ESC 開始の定量的時間

ワイヤ接触部における PFA の次の ESC 開始時間は、150 度、50% NaOH 中での制御されたテストを通じて確立されました。 2 MPa の応力では、開始時間は 10 4 時間を超えますが、亀裂は見られません。 4 MPa での開始までの時間は 5,000 ～ 10,000 時間で、亀裂の発生は最小限に抑えられます。 6 MPa では始動時間は 2000 ～ 5000 時間で、重大な亀裂が発生します。発生時間は標準設計条件（8MPa）で1,000～2,000時間であり、亀裂が顕著です。 10 MPa では始動時間が 500 ～ 1000 時間となり、重大な亀裂が発生します。 12 MPa では、開始時間は 200 ～ 500 時間で、急速な故障が発生します。

ESC の寿命延長とストレス軽減技術

設計変更 発生応力 (MPa) ESC 開始時間 (hr) 寿命延長係数
標準設計 (ソリッドメタルコア) 8-10 500-2、000 1× 応力緩和実装 (ソフトポッティング) 4-6 2,000-10,000 2-5× 適合する CTE を持つメタルコア (インバー合金、CTE=1.5 x 10-6 / 度) 2-3 5,000-15,000 5-10×
ヘリカルコイルコア（拡張可能）1–2 10,000–20、000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× エンジニアリングに関する推奨事項

膨張差応力を除去するための最良の解決策は、内部金属コアのない固体 PFA ヒーターを利用することです。この場合、抵抗線は連続金属サポートなしで PFA に直接埋め込まれます。金属コアが必要な場合は、らせんコイル設計を使用して PFA を自由に拡張できます。または、PFA と剛性サポートの間に柔らかいエラストマー層を備えた応力緩和マウントを使用します。-

保証を伴う指定

150 度、50% NaOH 中の PFA ヒート ロッド用のヘリカル コイル抵抗線 (連続金属コアなし)。膨張差応力1-2 MPa。これにより、ESC の開始時間が 10,000 時間を超えるようになります。やむを得ずソリッドメタルコアを使用する場合は、PFA に適した CTE を持つインバーコア (ニッケル鉄合金) を指定し、柔らかいシリコンゴムの応力緩和層を追加してください。エンジニアは、熱膨張差による引張応力を管理して、ワイヤ界面での環境応力亀裂を回避します。