Проблема роз'єднання наповнювача
PTFE, наповнений-нітридом кремнію, продається як високоефективний-композит. Керамічний наповнювач підвищує жорсткість, підвищує зносостійкість і забезпечує помірне підвищення теплопровідності. Матеріал привабливий для теплообмінників, де ці властивості цінуються.
Однак при багаторазовому термічному циклі різниця в тепловому розширенні між частинками Si₃N4 (приблизно 3,2 × 10⁻⁶/градус) і PTFE матрицею (120 × 10⁻⁶/градус) створює фундаментальну проблему. З кожним температурним циклом PTFE розширюється та стискається в 35-40 разів більше, ніж частинки наповнювача. Циклічна диференціальна деформація на межі розділу-матриці частинок поступово від’єднує наповнювач від матриці. Навколо кожної частинки утворюються мікроскопічні щілини. Зазори переростають у мікротріщини при продовженні циклювання.
Віргінський PTFE не має наповнювача. Немає інтерфейсу для роз’єднання. Однорідний матеріал рівномірно розширюється і стискається. Стійкість до термічного циклу значно більша.
Механізм міжфазної втоми
Кожен термічний цикл від температури навколишнього середовища до робочої температури піддає поверхню поверхні-матриці наповнювача циклу зсуву. Деформація пропорційна різниці коефіцієнтів теплового розширення, помноженої на зміну температури. Для зміни температури на 120 градусів (від 25 градусів до 145 градусів) диференціальна деформація на межі розділу становить приблизно 1,4%. Ця деформація може бути в межах пружної межі для одного циклу, але повторне циклування спричиняє кумулятивні пошкодження.
Пошкодження виникають у вигляді субмікроскопічних роз’єднань на екваторі частинок, де напруга зсуву найвища. Розривні зв’язки зростають з кожним циклом, зрештою з’єднуючись, утворюючи безперервну мережу тріщин навколо та між частинками. Тріщини зменшують ефективну передачу навантаження між наповнювачем і матрицею. Композит втрачає жорсткість. Тріщини також збільшують проникність матеріалу, потенційно допускаючи проникнення технологічної рідини.
Після 5 000-10 000 термічних циклів механічні властивості наповненого композиту можуть погіршитися до нижчих показників первинного ПТФЕ. Наповнювач, доданий для поліпшення властивостей, стає зобов'язанням.
| Параметр термічного циклу | Віргінський PTFE | PTFE з наповнювачем Si₃N₄- (15% наповнювача) |
|---|---|---|
| Невідповідність теплового розширення (Δ) | N/A (однорідний) | 117 × 10⁻⁶/градус (матрична-різниця наповнювача) |
| Міжфазна деформація за цикл 120 градусів | 0 | ~1.4% |
| Поява мікро{0}}тріщин (цикли) | N/A | 500-1,000 |
| Значні втрати майна (цикли) | > 50,000 | 5,000-10,000 |
| Збереження міцності на розрив після 10 000 циклів (%) | > 90 | 55-70 |
| Зміна проникності після 10 000 циклів | Жодного | збільшення в 3-8 разів |
Посібник із застосування для циклічної служби
Для теплообмінників, які працюють при постійній-температурі з мінімальними змінами, PTFE, наповнений Si₃N₄-, може забезпечити корисну комбінацію властивостей. Механізм роз’єднання матриці наповнювача-приводиться в дію за допомогою термічного циклу. Без циклів інтерфейс залишається недоторканим.
Для теплообмінників у періодичних процесах, періодичній роботі або будь-якій роботі з регулярними температурними циклами основний PTFE є кращим матеріалом. Гомогенна структура не має межі з втомою. Стійкість до термічних циклів не обмежується від’єднанням наповнювача-вона обмежується лише власною втомною довговічністю полімеру PTFE, яка на порядки більша, ніж у наповненого композиту.
Резюме
Заповнені-нітридом кремнію PTFE труби страждають від роз’єднання-матриці наповнювача під час термоциклування через велику невідповідність коефіцієнтів теплового розширення. Мікро-тріщини виникають на поверхні розділу частинок після 500-1000 циклів і ростуть із постійним циклом, погіршуючи механічні властивості та збільшуючи проникність. Незайманий ПТФЕ без наповнювача та інтерфейсу має значно більшу стійкість до термоциклування. Для циклічної експлуатації рекомендованим матеріалом є чистий PTFE. Заповнені сорти обмежуються застосуванням при постійній температурі.
Інженерна підтримка для вибору марки матеріалу PTFE у циклічній термічній службі доступна після надання амплітуди температурного циклу, частоти циклу, необхідного терміну служби та поточних даних про характеристики матеріалу.
