چگونه انبساط حرارتی یک صفحه فولادی PTFE{0}}روکش شده روی چسبندگی پوشش بیش از هزاران چرخه تأثیر می گذارد؟

یک صفحه حرارتی فولادی با روکش PTFE- که بعد از صد دوره بدون عیب به نظر می‌رسد، می‌تواند تا حدودی شروع به تاول زدن کند و بعد از ده هزار بار در لبه‌ها پوست کنده شود. دلیل اساسی یک حمله شیمیایی نیست، بلکه یک تنش مکانیکی بی‌وقفه است-فولاد با گرما منبسط می‌شود، اما پوشش PTFE نمی‌خواهد دنبال شود و این کشش بی‌صدا--جنگ در خط پیوند اتمی انجام می‌شود. درک رفتار ورقه فولادی چسبنده پوشش PTFE برای تعریف پوشش هایی که سال ها چرخه گرمایش و سرمایش را بدون لایه برداری تحمل می کنند، حیاتی است.

ضریب عدم تطابق انبساط حرارتی
همه مواد هنگام گرم شدن منبسط می شوند و در هنگام سرد شدن منقبض می شوند. ضریب انبساط حرارتی (CTE) مقدار این تغییر ابعادی را کمیت می کند. مقادیر CTE دو جزء اصلی یک صفحه پوشش داده شده به شدت متفاوت است:

PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن): ~ 120 × 10-6 / درجه (در محدوده 20-100 درجه)

فولاد ضد زنگ 316 لیتر: تقریباً{1}} × 10-6/ درجه

با این حال، برای همان تغییر دما، PTFE حدود هفت برابر فولاد منبسط می شود. فولاد تقریباً 0.9 میلی متر بر روی صفحه ای به عرض 300 میلی متر که از 20 درجه تا 200 درجه گرم می شود منبسط می شود. PTFE مهار نشده تا حدود 6.5 میلی متر گسترش می یابد. اما روکش PTFE رایگان نیست - به فولاد سطح متصل است. این باعث می شود که پوشش منعطف شده و با فلز منقبض شود و کشش های داخلی جمع شود.

چرا نرمی PTFE مشکل را حل نمی کند؟
در ظاهر اول، نرمی و انعطاف پذیری PTFE می تواند ناهماهنگی را جبران کند. پلیمر می تواند کمی کشش یابد ( به صورت کشسان ) . اما عیب در PTFE حجیم نیست بلکه در لایه پرایمینگ سفت است که به فلز می‌چسبد. بیشتر پوشش‌های PTFE با کارایی بالا به یک پرایمر نیاز دارند، یک لایه نازک پخته شده-روی لایه چسبنده-پلیمرهای تقویت‌کننده، اغلب با پرکننده‌های سرامیکی. این پرایمر سفت و شکننده است و CTE نزدیکتر از PTFE به فولاد است.

هر بار که صفحه گرم و سرد می شود، خط اتصال پوشش یک تمرین میکروسکوپی می شود. همانطور که فولاد گرم می شود، منبسط می شود و لایه پرایمر را به سمت بیرون می کشد. PTFE در بالای پرایمر می‌خواهد بیشتر منبسط شود اما عقب مانده است. اینها باعث ایجاد کرنش‌های برشی ریز در سطح مشترک می‌شوند. فولاد هنگام سرد شدن پوشش را منقبض و فشرده می کند. در یک چرخه تنش ها می تواند کم باشد. اما در طی هزاران چرخه، خستگی در ضعیف‌ترین ناحیه ایجاد می‌شود، معمولاً در سطح مشترک بین پرایمر و فلز یا بین پرایمر و پوشش رویی.

حالت های شکست به دلیل انبساط حرارتی چرخه ای
در صفحات روکش دار PTFE پس از چرخه حرارتی مکرر، دو نوع خرابی مختلف مشاهده می شود:

لایه برداری لبه (شکست چسب): تنش ها در لبه های صفحه که پوشش متوقف می شود متمرکز می شود. در هر چرخه، تنش برشی از لبه به داخل پوشش می کشد. مرز شکاف های کوچکی ایجاد می کند که باعث می شود PTFE از سطح فلز بلند شود. این معمولاً در رابط{3}}پرایمر فلزی یک خرابی کامل است.

تاول (شکست منسجم پرایمر): اگر لایه پرایمر بیش از حد سخت باشد و انعطاف پذیری داخلی نداشته باشد، ترک‌های میکرو-در داخل خود پرایمر ایجاد می‌شود. این شکستگی ها ممکن است اجازه دهند رطوبت یا بخار به زیر پوشش رویی نفوذ کند. گرمای بیشتر باعث می شود گازهای به دام افتاده منبسط شده و تاول ایجاد کنند. این الگوی شکست معمولاً با کدر شدن یا تغییر رنگ سطح پوشش انجام می شود.

محلول پرایمر درجه بندی شده: جذب تنش به روش سازگاری
یک رویکرد کنونی برای حل مشکل عدم تطابق CTE، استفاده از یک-سیستم پرایمر چند لایه است که به آرامی از یک شیمی پیوندی سفت و فلزی-به یک لایه انعطاف پذیرتر و فلوروپلیمر-پسندتر تبدیل می شود. این به عنوان یک مرز انطباق ردیفی شناخته می شود.

نحوه کار: لایه اولیه (که مستقیماً روی فولاد اعمال می شود) حاوی مقادیر بالایی از محرک های چسبندگی و پرکننده های مناسب حرارتی است. به شدت 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 نسبت به لایه زیرین تا حدودی CTE بالاتر و مدول کمتری دارد. آستر بالایی نرم و انعطاف پذیر است و با روکش PTFE کاملاً مطابقت دارد.

مکانیسم جذب تنش: هنگامی که صفحه گرم می شود، تنش برشی در ضخامت پرایمر درجه بندی شده پخش می شود، نه اینکه در یک رابط تیز متمرکز شود. هر لایه کمی تغییر شکل می دهد و مقداری از اختلاف در گسترش را به خود اختصاص می دهد. نتیجه یک تنش اوج قابل ملاحظه کمتر در هر نقطه است. در واقع، شکست منسجم پیوند درون پرایمر (و نه در سطح فلز) نشان‌دهنده این است که سیستم مطابق دلخواه عمل می‌کند – به جای شکستن پیوند چسبنده ضروری به فولاد، تنش در مکانی جذب می‌شود که ممکن است به صورت پلاستیکی خم شود.

اندازه گیری سود: اطلاعات در مورد آزمایش های چرخه ای
آزمایش عمر تسریع شده صفحات پوشش داده شده PTFE با و بدون لایه های پرایمر درجه بندی شده، تغییرات قابل توجهی را نشان می دهد. سیستم های معمولی 2 لایه (پرایمر + روکش بالایی) معمولاً لایه برداری لبه را پس از 2000-3000 چرخه حرارتی از محیط تا 200 درجه نمایش می دهند. یک سیستم پرایمر درجه بندی شده با 4 یا بیشتر لایه انتقالی اغلب بیش از 20000 چرخه بدون از دست دادن قابل توجه چسبندگی زنده می ماند. این بهبود از طراحی انطباق درجه بندی شده ناشی می شود.

انتخاب پوشش: ملاحظات عملی
هنگام تعیین یک پوشش PTFE برای یک صفحه فولادی که در معرض چرخه دمای مکرر قرار می گیرد، موارد زیر باید در نظر گرفته شود:

ساخت آغازگر: از ارائه دهنده پوشش در مورد در دسترس بودن پرایمر درجه بندی شده یا چند لایه سؤال کنید. همه پوشش های PTFE این ویژگی را ندارند.

حداکثر دمای عملیاتی دمای بالاتر تنش عدم تطابق CTE را افزایش می دهد. تنش چرخه شدید قبل از شروع تخریب PTFE در دماهای بالاتر از 260 درجه رخ می دهد.

ضخامت صفحه: صفحات ضخیم تر به صورت مطلق بیشتر منبسط می شوند (با همان CTE) صفحات نازک تر انعطاف پذیرتر هستند و می توانند برای جبران مقداری ناهماهنگی خم شوند، اما همچنین سریعتر گرم و سرد می شوند که منجر به چرخه های بیشتر می شود.

درمان لبه: لبه های گرد یا پخ، تمرکز تنش را در مقابل گوشه های حاد 90 درجه کاهش می دهد. پوشش باید کمی فراتر از ناحیه گرم شده گسترش یابد تا به طور ناگهانی در ناحیه{2}}تنش بالا متوقف نشود.

نتیجه گیری: پیروزی در آغازگر شیمی
چسبیدن-طولانی یک پوشش PTFE به صفحه فولادی تنها تابعی از استحکام اتصال اولیه نیست. این یک شاهکار شیمی آغازگر است که فشارهای بی صدا و مکرر انبساط حرارتی را جذب می کند که معمولاً پس از هزاران چرخه پوشش را از بین می برد. بنابراین عدم تطابق CTE یک پارامتر طراحی است، نه یک خطای کشنده، زیرا یک رابط انطباق درجه بندی شده ممکن است لایه به لایه ساخته شود، از شیمی پیوند فلز سخت- تا سطح فلوروپلیمر انعطاف پذیر. قوی ترین حلقه تنها یک پیوند قوی نیست، بلکه زنجیره ای از پیوندهای تنش آور است، و زنجیره در مورد صفحات فولادی با روکش PTFE{6}}در پرایمر آهنگری می شود.