Środki czyszczące Ulasonic są szeroko stosowane w precyzyjnym czyszczeniu płytek półprzewodnikowych, elementów optycznych i wyrobów medycznych. Połączenie myjki ultradźwiękowej z grzałką zanurzeniową z PFA w celu kontroli temperatury powoduje powstanie znanego mechanizmu awarii: erozji powłoki PFA wywołanej{{1}kawitacją. Przetworniki ultradźwiękowe wytwarzają mikroskopijne pęcherzyki próżniowe, które gwałtownie implodują, wytwarzając miejscowe ciśnienie przekraczające 1000 barów i temperatury osiągające 5000 stopni w punkcie zapadnięcia. Kiedy te implozje występują w odległości 1–2 mm od powierzchni PFA, fala uderzeniowa powoduje erozję polimeru w wyniku pękania zmęczeniowego i usuwania materiału. Powyżej częstotliwości 40 kHz rozmiar pęcherzyka kawitacyjnego zmniejsza się, ale liczba implozji na sekundę dramatycznie wzrasta. Połączenie wyższej częstotliwości i podatnego charakteru PFA prowadzi do szybkiego wżerów powierzchniowych, ścieńczenia ścian i ostatecznej perforacji-zwykle w ciągu 100–500 godzin pracy w porównaniu z tysiącami godzin w przypadku pracy-innej niż ultradźwiękowa.
Mechanizm uszkodzeń kawitacyjnych w PFA
Uszkodzenia kawitacyjne polimerów różnią się od erozji metalu. W metalach kawitacja usuwa materiał poprzez odkształcenie plastyczne i pękanie zmęczeniowe. W przypadku PFA niższy moduł (600 MPa w porównaniu z. 200 GPa dla stali) umożliwia polimerowi pochłonięcie części energii uderzenia w wyniku odkształcenia sprężystego. Jednakże powtarzające się implozje kawitacyjne przy częstotliwościach powyżej 40 kHz (40 000 cykli na sekundę) powodują cykliczne obciążenie warstwy powierzchniowej z szybkością przekraczającą zdolność polimeru do regeneracji pomiędzy impulsami. Na powierzchni tworzą się mikropęknięcia, które łączą się w wgłębienia. Każdy dół pogłębia się stopniowo, w miarę jak fala uderzeniowa koncentruje się na dnie dołu. W przeciwieństwie do metali, które mogą wykazywać utratę masy głównie z powierzchni, wżery PFA szybko rozprzestrzeniają się do wewnątrz, ponieważ polimer po zainicjowaniu zapewnia mniejszą odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć. Skaningowa mikroskopia elektronowa uszkodzonych grzejników PFA z myjek ultradźwiękowych pokazuje głębokość wżerów 0,5–1,5 mm po 200–500 godzinach-wystarczającą do naruszenia typowej grubości ścianki 1,5–2,0 mm.
Próg częstotliwości dla szybkiego uszkodzenia wynosi około 40 kHz. Poniżej 40 kHz (typowy zakres 20–40 kHz) pęcherzyki kawitacyjne są większe (średnica 50–200 µm) i implodują z większą energią indywidualną, ale mniejszą częstotliwością powtarzania. PFA może wytrzymać działanie ultradźwięków 20–40 kHz przez 2000–5000 godzin jedynie z chropowatością powierzchni i niewielkimi wżerami (głębokość 0,1–0,3 mm). Powyżej 40 kHz (częstotliwości: 68 kHz, 80 kHz, 120 kHz, 170 kHz) wielkość pęcherzyków zmniejsza się do 10–50 µm, ale częstotliwość implozji rośnie proporcjonalnie. Mniejsze pęcherzyki implodują bliżej powierzchni PFA, ponieważ łatwiej tworzą się w przypadku niedoskonałości powierzchni. Wyższa szybkość implozji (80 000 na sekundę przy 80 kHz) nie pozwala na relaks polimeru pomiędzy uderzeniami, co prowadzi do przyspieszonego zniszczenia zmęczeniowego.
Częstotliwość-Zależne współczynniki uszkodzeń
| Częstotliwość ultradźwiękowa | Typowy rozmiar bąbelka przy zwinięciu | Czas do pierwszych widocznych wżerów (ściana 1,5 mm) | Czas do perforacji (ściana 1,5 mm) | Polecany do grzejników PFA? |
|---|---|---|---|---|
| 20 kHz (czyszczenie standardowe) | 100–200 µm | 500–1000 godzin | 2000–5000 godzin | Dopuszczalne po obniżeniu wartości znamionowych i kontroli |
| 25 kHz | 80–150 µm | 400–800 godzin | 1500–3500 godzin | Dopuszczalne w przypadku usług przerywanych |
| 28 kHz | 70–130 µm | 350–700 godzin | 1200–3000 godzin | Marginalny; sprawdzać co miesiąc |
| 35 kHz | 50–100 µm | 250–500 godzin | 800–2 000 godzin | Niezalecany do pracy ciągłej |
| 40 kHz (próg) | 40–80 µm | 150–300 godzin | 500–1200 godzin | Unikaj, chyba że grzejnik jest osłonięty |
| 68 kHz | 20–50 µm | 50–150 godzin | 150–500 godzin | Nigdy nie używaj |
| 80 kHz | 15–40 µm | 30–100 godzin | 100–300 godzin | Nigdy nie używaj |
| 120 kHz (precyzyjne czyszczenie-o wysokiej częstotliwości) | 10–30 µm | 20–60 godzin | 50–150 godzin | Nigdy nie używaj |
| 170 kHz (czyszczenie płytek) | 8–20 µm | 10–40 godzin | 30–100 godzin | Nigdy nie używaj |
| 200–400 kHz (mega-dźwiękowy,-niekawitacyjny) | Brak kawitacji (tylko strumieniowanie akustyczne) | Żadnego wżerania | Żadnego wżerania | Bezpieczny (brak kawitacji przy tych częstotliwościach) |
Mechanizmy fizyczne przy wysokiej częstotliwości
Powyżej 40 kHz dwa efekty przyspieszają uszkodzenia PFA. Pierwszą z nich jest przejście od kawitacji bezwładnościowej (gwałtownego zapadania się pęcherzyków) do tak zwanej „kawitacji stabilnej” lub „kawitacji-o wysokiej częstotliwości”, w której pęcherzyki oscylują, ale nadal zapadają się w pobliżu powierzchni. Ciśnienie zapadania pozostaje wysokie (100–1 000 barów), ale zapadanie następuje znacznie bliżej powierzchni, ponieważ pęcherzyki są mniejsze i łatwiej ulegają zarodkowaniu w przypadku defektów powierzchniowych. Drugi efekt to redukcja „warstwy amortyzującej”. Przy niższych częstotliwościach powierzchnia PFA może odkształcać się elastycznie, aby pochłonąć część energii uderzenia. Przy częstotliwościach powyżej 40 kHz czas między implozjami (12,5 mikrosekundy przy 80 kHz) jest krótszy niż czas relaksacji polimeru (około 50–100 mikrosekund dla PFA w temperaturze pokojowej). Powierzchnia pozostaje w stanie ciągłego naprężenia, a energia sprężystości raczej akumuluje się niż rozprasza. Nagromadzenie to prowadzi do stanu uszkodzenia zmęczeniowego, w którym powierzchnia staje się coraz bardziej podatna, aż do rozdarcia.
W przypadku częstotliwości mega-dźwiękowych (200 kHz do kilku MHz) kawitacja nie występuje, ponieważ cykle ciśnienia akustycznego są zbyt szybkie, aby umożliwić zarodkowanie i wzrost pęcherzyków. Zamiast tego dominuje strumieniowanie akustyczne (ruch płynu masowego). Środki czyszczące mega-dźwiękowe są bezpieczne dla grzejników PFA, chociaż zazwyczaj są używane do innych zastosowań (usuwanie cząstek z płytek) niż środki czyszczące o niższej-częstotliwości (usuwanie oleju i zanieczyszczeń).
Strategie łagodzenia wymaganej usługi ultradźwiękowej
Gdy wymagane jest czyszczenie ultradźwiękowe o częstotliwości powyżej 40 kHz, ale ze względu na zgodność chemiczną preferowany jest grzejnik PFA, można zastosować cztery strategie łagodzące. Najpierw zainstaluj grzałkę w osobnej komorze lub studzience, która nie jest bezpośrednio wystawiona na działanie pola ultradźwiękowego. Przeprowadź recyrkulację roztworu czyszczącego przez komorę podgrzewacza za pomocą pompy; przepływ zapewnia ogrzewanie bez narażenia na kawitację. Po drugie, użyj perforowanej metalowej osłony (stal nierdzewna z otworami 2–3 mm, 50% otwartej przestrzeni) wokół grzejnika PFA. Osłona pochłania energię kawitacji, zanim dotrze do polimeru. Ekran musi być uziemiony elektrycznie i umieszczony w odległości co najmniej 5 mm od powierzchni PFA, aby uniknąć ścierania styków. Po trzecie, używaj myjki ultradźwiękowej tylko wtedy, gdy grzejnik jest odłączony od-prądu. Kolejność procesu: podgrzej kąpiel do odpowiedniej temperatury za pomocą grzejnika PFA z wyłączoną ultradźwiękami, następnie wyłącz grzejnik i włącz ultradźwięki w celu oczyszczenia. Takie podejście eliminuje uszkodzenia kawitacyjne, ponieważ grzejnik nie działa podczas ekspozycji na działanie ultradźwięków (chociaż pasywny PFA nadal ulega pewnej erozji). Po czwarte, wybierz myjkę ultradźwiękową o niższej częstotliwości (20–35 kHz) zamiast 40–80 kHz, jeśli pozwala na to rodzaj czyszczenia. Skuteczność czyszczenia różni się w zależności od częstotliwości, ale w wielu zastosowaniach częstotliwość 28 kHz zapewnia odpowiednie czyszczenie przy akceptowalnej trwałości PFA.
Wniosek: Nigdy nie używaj grzejników PFA z myjkami ultradźwiękowymi powyżej 40 kHz
Grzejników PFA nie należy nigdy używać z myjkami ultradźwiękowymi pracującymi powyżej 40 kHz, ponieważ-kawitacja o wysokiej częstotliwości powoduje szybkie wżery na powierzchni i perforację ścian, zwykle w ciągu 100–500 godzin. Mały rozmiar pęcherzyków i wysoka częstotliwość implozji przy częstotliwościach takich jak 68 kHz, 80 kHz i 120 kHz powodują skumulowane uszkodzenia zmęczeniowe, które przekraczają zdolność PFA do regeneracji pomiędzy wstrząsami. Do czyszczenia ultradźwiękowego o częstotliwości 20–40 kHz można używać grzejników PFA z ostrożnością,-spodziewając się trwałości od 2 000 do 5 000 godzin-ale wymagają one regularnej kontroli wzrokowej (co miesiąc) pod kątem wżerów. Najbezpieczniejszym podejściem do każdego zastosowania ultradźwiękowego jest odizolowanie grzejnika PFA od pola ultradźwiękowego poprzez oddzielną komorę recyrkulacyjną. Mega{19}}częstotliwości dźwiękowe powyżej 200 kHz są bezpieczne, ponieważ nie powodują kawitacji. Inżynierowie wybierający sprzęt do czyszczenia ultradźwiękowego z kontrolą temperatury powinni albo wybrać częstotliwość grzejnika poniżej 40 kHz, odizolować grzejnik, albo wybrać grzejnik metalowy (tytanowy lub ze stali nierdzewnej), który jest odporny na erozję kawitacyjną lepiej niż PFA. Wygoda, jaką daje kombinacja grzałek ultradźwiękowych z jednym-zbiornikiem, nie jest warta ryzyka nagłej awarii PFA, zanieczyszczenia płynu i zagrożenia porażenia prądem elektrycznym.
