Le problème du décollement des charges
Le PTFE chargé de nitrure de silicium-est commercialisé comme un composite à haute-performance. La charge céramique augmente la rigidité, améliore la résistance à l'usure et offre une amélioration modérée de la conductivité thermique. Le matériau est intéressant pour les applications d’échangeurs de chaleur où ces propriétés sont valorisées.
Cependant, sous des cycles thermiques répétés, la différence de dilatation thermique entre les particules de Si₃N₄ (environ 3,2 × 10⁻⁶/degré) et la matrice PTFE (120 × 10⁻⁶/degré) crée un problème fondamental. À chaque cycle de température, le PTFE se dilate et se contracte 35 -40 fois plus que les particules de charge. La déformation différentielle cyclique à l'interface particule-matrice décolle progressivement la charge de la matrice. Des espaces microscopiques se forment autour de chaque particule. Les interstices se transforment en microfissures au fur et à mesure du cycle.
Virgin PTFE n’a pas de charge. Il n’y a pas d’interface pour décoller. Le matériau homogène se dilate et se contracte uniformément. L'endurance aux cycles thermiques est nettement supérieure.
Le mécanisme de fatigue interfaciale
Chaque cycle thermique, de la température ambiante à la température de fonctionnement, soumet l'interface de la matrice de remplissage-à un cycle de déformation par cisaillement. La déformation est proportionnelle à la différence des coefficients de dilatation thermique multipliée par le changement de température. Pour une variation de température de 120 degrés (25 degrés à 145 degrés), la déformation différentielle à l'interface est d'environ 1,4 %. Cette déformation peut se situer dans la limite élastique pour un seul cycle, mais des cycles répétés provoquent des dommages cumulatifs.
Les dommages commencent par des décollements submicroscopiques au niveau de l'équateur des particules, là où la contrainte de cisaillement est la plus élevée. Les décollements se développent à chaque cycle, pour finalement se connecter pour former un réseau continu de fissures autour et entre les particules. Les fissures réduisent le transfert de charge efficace entre le mastic et la matrice. Le composite perd en rigidité. Les fissures augmentent également la perméabilité du matériau, permettant potentiellement la pénétration des fluides de procédé.
Après 5 000 à 10 000 cycles thermiques, les propriétés mécaniques du composite chargé peuvent se dégrader et devenir inférieures à celles du PTFE vierge. La charge ajoutée pour améliorer les propriétés devient un handicap.
| Paramètre de cycle thermique | PTFE vierge | Si₃N₄-Rempli de PTFE (15 % de charge) |
|---|---|---|
| Inadéquation de dilatation thermique (Δ ) | N/A (homogène) | 117 × 10⁻⁶/degré (différence de remplissage de matrice-) |
| Déformation interfaciale par cycle de 120 degrés | 0 | ~1.4% |
| Initiation de micro-fissures (cycles) | N/A | 500-1,000 |
| Pertes matérielles importantes (cycles) | > 50,000 | 5,000-10,000 |
| Rétention de la résistance à la traction après 10 000 cycles (%) | > 90 | 55-70 |
| Changement de perméabilité après 10 000 cycles | Aucun | 3-8× augmentation |
Le guide d’application pour le service cyclique
Pour les échangeurs de chaleur en service à température constante-avec un minimum de cycles, le PTFE chargé de Si₃N₄-peut fournir une combinaison utile de propriétés. Le mécanisme de décollement de la matrice de remplissage-est piloté par un cycle thermique. Sans cycles, l'interface reste intacte.
Pour les échangeurs de chaleur dans les processus par lots, le fonctionnement intermittent ou tout service avec des cycles de température réguliers, le PTFE vierge est le matériau préféré. La structure homogène n’a aucune interface avec la fatigue. L'endurance aux cycles thermiques n'est pas limitée par le décollement de la charge-elle est limitée uniquement par la durée de vie intrinsèque en fatigue du polymère PTFE, qui est plusieurs fois supérieure à celle du composite chargé.
Résumé
Les tubes en PTFE remplis de nitrure de silicium-souffrent de décollement de la matrice de charge-sous cycle thermique en raison de l'importante disparité des coefficients de dilatation thermique. Les micro-fissures s'initient aux interfaces des particules après 500-1 000 cycles et se développent avec le cycle continu, dégradant les propriétés mécaniques et augmentant la perméabilité. Le PTFE vierge, sans charge ni interface, présente une endurance aux cycles thermiques nettement supérieure. Pour le service cyclique, le PTFE vierge est le matériau recommandé. Les qualités chargées sont limitées aux applications à température constante.
Une assistance technique pour la sélection de la qualité du matériau PTFE en service thermique cyclique est disponible sur présentation de l'amplitude du cycle de température, de la fréquence du cycle, de la durée de vie requise et des données actuelles sur les performances du matériau.
