วัสดุใดบ้างที่ใช้สำหรับแผ่นทำความร้อนในการใช้งานอุณหภูมิสูงพิเศษ- ที่สูงกว่า 300 องศา ?

แผ่นทำความร้อนอะลูมิเนียม (รุ่นมาตรฐาน เคลือบ PTFE) ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ. 260 องศา สำหรับขั้นตอนที่ต้องใช้ 300 องศา 400 องศาหรือสูงกว่านั้น จะมีการปรับใช้ประเภทวัสดุและเทคโนโลยีเครื่องทำความร้อนที่แตกต่างกัน แผ่นทำความร้อนอุณหภูมิสูงพิเศษ-เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในภาคส่วนต่างๆ มากมาย เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การบ่มคอมโพสิต การขึ้นรูปแก้ว และการทดสอบวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง การเลือกใช้วัสดุแผ่นและประเภทเครื่องทำความร้อนรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ การกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอ และอายุการใช้งานที่ยาวนานภายใต้ความเครียดจากความร้อนที่รุนแรง

เกณฑ์การคัดเลือกวัสดุสำหรับแผ่นอุณหภูมิสูง
Traditional materials are no longer viable at >300 องศา : อลูมิเนียม (จุดหลอมเหลว 660 องศา แต่สูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็วเกิน 200 องศา) และ PTFE (ใช้งานต่อเนื่องสูงสุด 260 องศา) พารามิเตอร์หลักสำหรับการเลือกใช้วัสดุแผ่นคือ:

อุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องสูงสุด - วัสดุต้องมีความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานต่อออกซิเดชันหรือการคืบที่อุณหภูมิที่กำหนด

ค่าการนำความร้อน - ยิ่งค่าการนำความร้อนสูงเท่าไร ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิทั่วทั้งแผ่นก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) - ต้องตรงกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของเครื่องทำความร้อนแบบฝังและอุปกรณ์ติดตั้งเพื่อป้องกันความเครียดที่ไม่เหมาะสม

ความต้านทานต่อการกัดกร่อนและออกซิเดชัน - มีความสำคัญเป็นพิเศษในอากาศหรือบรรยากาศกระบวนการที่รุนแรง

ต้นทุนและความสามารถในการแปรรูป - แง่มุมที่เป็นประโยชน์สำหรับการผลิต

ตัวเลือกสำหรับวัสดุแผ่นที่อุณหภูมิสูงกว่า 300 องศา
การเลือกใช้วัสดุขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิเฉพาะ ความสม่ำเสมอที่จำเป็น และสภาพแวดล้อมของกระบวนการ เหล่านี้เป็นวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุด

สแตนเลส (304, 316, 321)
แผ่นเหล็กสแตนเลสทนความร้อนได้ประมาณ 500 C (เชื่อถือได้ 300 C) เกรด 304 และ 316 มีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันรุนแรงและมีความแข็งแรงปานกลาง สำหรับการหมุนเวียนด้วยความร้อนซ้ำๆ เกรด 321 (เสถียรด้วยไทเทเนียม) ให้ความต้านทานต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรนได้ดีกว่า

อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าไร้สนิมมีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 15 W/m·K สำหรับ 304 เทียบกับ 205 W/m·K สำหรับอะลูมิเนียม) มักจำเป็นต้องใช้แผ่นหนา (15-25 มม.) เพื่อให้ได้อุณหภูมิพื้นผิวที่สม่ำเสมอ หากแผ่นมีความหนาไม่เพียงพอ หรือหากวางเครื่องทำความร้อนไว้ใกล้กับพื้นผิวมากเกินไป อาจเกิดการบิดงอได้ ที่อุณหภูมิเกิน 500 องศา การออกซิเดชั่นของเหล็กสเตนเลสจะเร่งตัวและต้องใช้โลหะผสมนิกเกิลสูง

นิกเกิล-โลหะผสมโครเมียม (อินคอลอยย์ อินโคเนล)
โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม-สำหรับงานหนัก เช่น อินคอลอยย์ (800, 825) และอินโคเนล (600, 625) วัสดุเหล่านี้มีความแข็งแรงและต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดีมากถึง 800 องศาขึ้นไป เป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับแผ่นทำความร้อนในอากาศหรือบรรยากาศที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่อุณหภูมิ 500–800 องศา

Incoloy 800 มีอุณหภูมิต่อเนื่องสูงสุดประมาณ 870 องศา ด้วยค่าการนำความร้อนประมาณ 11-15 W/m·K จึงคล้ายกับเหล็กกล้าไร้สนิม มีปริมาณนิกเกิลสูงซึ่งต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดจากคลอไรด์ Inconel 600 สามารถใช้งานได้ถึง 1,090 องศา แต่ค่าการนำความร้อนลดลงเหลือประมาณ 15 W/mK ที่อุณหภูมิแวดล้อม และ 20 W/mK ที่ 800 องศา โลหะผสมเหล่านี้มีราคาสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างมาก แต่โดยทั่วไปแล้วเป็นทางเลือกเดียวที่เป็นไปได้สำหรับกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ

หล่ออลูมิเนียมบรอนซ์หรือเหล็กดัด
อลูมิเนียมบรอนซ์หล่อ (ทองแดง‐อลูมิเนียมอัลลอยด์) เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงปานกลาง (300–450 องศา ) เนื่องจากมีความแข็งแกร่งโดดเด่นและมีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม (∼40–60 W/m·K) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแม่พิมพ์จานร้อนและอุปกรณ์การขึ้นรูปที่การถ่ายเทความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ แต่อลูมิเนียมบรอนซ์ไม่สามารถยอมรับได้เกิน 500 องศาเนื่องจากการเกิดออกซิเดชัน

เหล็กดัด (เหล็กหล่อกลม) สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิประมาณ 600 องศา โดยมีค่าการนำความร้อนประมาณ 30–40 W/m·K ราคาถูกกว่าโลหะผสมนิกเกิลและสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตาม เหล็กดัดจะไวต่อการปรับขนาดพื้นผิวที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เว้นแต่จะเคลือบหรือใช้ในบรรยากาศที่มีการควบคุม

วัสดุทดแทนที่แปลกใหม่
สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงสุด (800–1200 องศา ) จะใช้แผ่นเซรามิก (อลูมินา ซิลิคอนคาร์ไบด์) หรือแผ่นกราไฟท์ แผ่นเซรามิกมีค่าการนำความร้อนต่ำมาก (20–30 W/m·K สำหรับซิลิกอนคาร์ไบด์ 3–5 W/m·K สำหรับอลูมินา) ที่อาจสร้างอุณหภูมิไม่-สม่ำเสมอ เว้นแต่จะสร้างขึ้นอย่างระมัดระวังด้วยอุปกรณ์ทำความร้อนที่กระจัดกระจาย แผ่นกราไฟท์มีค่าการนำความร้อนที่ดี (100-150 W/mK) อย่างไรก็ตาม การเกิดออกซิเดชันเริ่มต้นเกิน 400 องศา และต้องมีบรรยากาศในการป้องกัน (สุญญากาศหรือก๊าซเฉื่อย) วัสดุเหล่านี้อยู่นอกกลุ่มเตาให้ความร้อนอุตสาหกรรมทั่วไป แต่กล่าวถึงความครบถ้วนสมบูรณ์

เทคโนโลยีเครื่องทำความร้อนอุณหภูมิสูงแบบเพลท
เครื่องทำความร้อนที่ฝังหรือติดกับแผ่นจะต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้เช่นกัน เครื่องทำความร้อนแบบหุ้มฉนวน PTFE หรือยางซิลิโคนแบบมาตรฐานไม่สามารถยอมรับได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 260 องศา ประเภทเครื่องทำความร้อนด้านล่างใช้สำหรับแผ่นอุณหภูมิสูงพิเศษ

เครื่องทำความร้อนแบบตลับ – อุณหภูมิสูง
เครื่องทำความร้อนแบบตลับเป็นเครื่องทำความร้อนแบบต้านทานทรงกระบอกที่ติดตั้งไว้ในรูเจาะพิเศษในแผ่น สำหรับการให้บริการที่สูงกว่า 300 องศา วัสดุเปลือกต้องเป็นโลหะผสมนิกเกิลสูง (Incoloy 800, Inconel 600) หรือเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่ยอมรับได้ ฉนวนภายในถูกอัดแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) ซึ่งมีความคงตัวที่ > 800 องศา เครื่องทำความร้อนแบบตลับสามารถเข้าถึงอุณหภูมิพื้นผิว 750 องศาขึ้นไป

เครื่องทำความร้อนเหล่านี้มีความหนาแน่นของพลังงานที่ดีมาก (สูงถึง 50 วัตต์/ซม. 2 ) และสามารถจัดเรียงเป็นตารางเพื่อสร้างอุณหภูมิแผ่นที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม จะต้องคำนึงถึงความไม่ตรงกันของ CTE ระหว่างปลอกเครื่องทำความร้อนและวัสดุแผ่นด้วย ขนาดพอดี (ระยะห่าง 0.05–0.10 มม.) ช่วยให้สามารถขยายและเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนได้

เครื่องทำความร้อนแบบแถบฉนวนหรือแถบไมกา
เครื่องทำความร้อนที่หุ้มฉนวนไมกาทำจากลวดต้านทานที่พันบนแกนไมกาที่ประกบอยู่ระหว่างแผ่นไมกาและเคลือบด้วยปลอกโลหะ (สแตนเลสหรืออินคอลอยย์) โดยปกติแล้ว เครื่องทำความร้อนเหล่านี้จะถูกยึดไว้รอบๆ ขอบหรือยึดไว้ที่ด้านล่างของแผ่นทำความร้อน ฉนวนไมก้าได้รับการจัดอันดับให้ใช้งานต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงถึง 480 องศา (บางเกรดถึง 650 องศา [) เครื่องทำความร้อนแบบไมกาเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานแผ่นอุณหภูมิสูงต่างๆ โดยมีอุณหภูมิปลอกโลหะอยู่ที่ 450–600 องศา

เครื่องทำความร้อนแถบ (หน้าตัดสี่เหลี่ยม-) สามารถหล่อลงในเพลตหรือยึดเข้ากับร่องที่กลึงได้ มีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า (มักจะ 5–15 W/cm2) กว่าเครื่องทำความร้อนแบบตลับ แต่เปลี่ยนได้ง่ายกว่า

เครื่องทำความร้อนไฟฟ้าเซรามิกไฟเบอร์
สำหรับอุณหภูมิแผ่นที่สูงกว่า 600 องศา จะใช้เครื่องทำความร้อนหุ้มฉนวนเซรามิกไฟเบอร์ สิ่งเหล่านี้ใช้ลวดต้านทาน (FeCrAl หรือ NiCr) ที่สอดเข้าไปในแผ่นเซรามิกไฟเบอร์หรือแผ่นเซรามิกที่ขึ้นรูปด้วยสุญญากาศ- ฉนวนเซรามิกมีความทนทานถึง 1200 องศา เครื่องทำความร้อนดังกล่าวมักใช้เป็นแผงหม้อน้ำ-แบบอิสระ และไม่ได้ห่อหุ้มไว้ในแผ่นโลหะ หากยังจำเป็นต้องใช้แผ่นโลหะ (เช่น สำหรับการรองรับทางกลหรือการกระจายอุณหภูมิ) สามารถวางเครื่องทำความร้อนเซรามิกไว้ด้านหลังแผ่น Incoloy บางๆ ซึ่งเป็นแผ่นที่ถูกให้ความร้อนโดยการแผ่รังสีและการนำไฟฟ้า

แผนภูมิการเลือกวัสดุแผ่นทำความร้อนอุณหภูมิสูง-
ตารางต่อไปนี้สรุปคุณสมบัติหลักของวัสดุแผ่นทำความร้อนอุณหภูมิสูงทั่วไป

วัสดุ Max อุณหภูมิต่อเนื่อง องศา การนำความร้อน W/m·K ต้นทุนสัมพัทธ์ การใช้งานทั่วไป
อลูมิเนียม (6061) 200 (เคลือบ) 205 ต่ำ ไม่เหมาะสมเหนือ 260 องศา สแตนเลส 304 500 15 ต่ำ วัตถุประสงค์ทั่วไปถึง 500 องศา ; เสี่ยงต่อการบิดเบี้ยว
สแตนเลส 321 550 15 ต่ำ-ต้านทานปานกลางต่อการหมุนเวียนด้วยความร้อน
อินคอลอย 800 870 11-15 สูง 500-800 องศา ; ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน
อินโคเนล 600 1090 15-20 สูงมาก อุณหภูมิสูงสุด; บรรยากาศที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
หล่ออลูมิเนียมบรอนซ์ 450 40-60 ตัวนำขนาดกลางที่ดี; เครื่องมือปั้น
เหล็กดัด 600 30-40 ต่ำ-ปานกลางราคาไม่แพงถึง 600 องศา ; ปรับขนาดด้านบน
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (เซรามิก) 1400 20-30 มีความเปราะบางสูงมากที่อุณหภูมิสูง
การออกแบบเพลต - ข้อควรพิจารณาเชิงปฏิบัติ
การขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกัน
หากคุณฝังเครื่องทำความร้อนโลหะ (เครื่องทำความร้อนแบบตลับ) ไว้ในแผ่นวัสดุอื่น คุณต้องพิจารณาถึงความแตกต่างในค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ตัวอย่างเช่น เครื่องทำความร้อนแบบตลับ Incoloy มี CTE ประมาณ 15 x 10⁻⁶/ องศา และเพลต Incoloy มี CTE ที่คล้ายกัน ดังนั้นจึงไม่มีค่าที่ไม่ตรงกัน อย่างไรก็ตาม แผ่นเหล็กสเตนเลส (CTE ~17) ที่มีเครื่องทำความร้อน Inconel (CTE ~14) จะสร้างความเค้นเฉือนเมื่อถูกความร้อน ระยะห่างที่พอดีและสารป้องกันการยึดติดที่อุณหภูมิสูง-หรือฟอยล์กราไฟท์ทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้

ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน
สำหรับเพลตที่ทำงานที่อุณหภูมิ 500 C ในอากาศ การเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การเคลือบออกไซด์บางๆ อาจพอทนได้ แต่การปรับขนาดที่มีนัยสำคัญสามารถเปลี่ยนการแผ่รังสีและทำให้กระบวนการเกิดมลพิษได้ การทำความสะอาดเป็นระยะหรือการเคลือบเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูง (เช่น ที่ใช้อลูมินา) สามารถช่วยลดการเกิดตะกรันได้ ในการใช้งานที่สำคัญ อาจใช้การไล่ก๊าซเฉื่อย (ไนโตรเจนหรืออาร์กอน) รอบๆ แผ่น

แผ่นยึดกับฮีตเตอร์
ที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปจะหลีกเลี่ยงการบัดกรีหรือเชื่อมเครื่องทำความร้อนเข้ากับแผ่น เนื่องจากการเปลี่ยนใหม่จะทำไม่ได้ การหนีบเชิงกล (สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแถบ) หรือเครื่องทำความร้อนแบบตลับที่ถอดออกได้ในรูที่เจาะคือตัวเลือกที่แนะนำ ควรใช้ซิลิโคนแปะหรือตัวเติมนำไฟฟ้า (เช่น กราไฟท์-) ระหว่างเครื่องทำความร้อนและเพลต เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและอุดช่องว่างเนื่องจากการขยายตัว

โดยสรุป
แผ่นทำความร้อนสำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงเกิน 300 องศาต้องใช้วัสดุเฉพาะและเทคโนโลยีเครื่องทำความร้อน อลูมิเนียมและ PTFE มาตรฐาน ขึ้นได้ประมาณ 260 องศา . เครื่องทำความร้อนแบบหุ้มฉนวนไมกา-ในแผ่นสแตนเลสมีความประหยัดในช่วง 300-500 องศา แต่จะต้องจัดการกับการบิดงอและออกซิเดชั่นด้วย โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม (อินคอลอยย์, อินโคเนล) นิยมใช้เป็นวัสดุแผ่นในช่วง 500–800 องศาโดยใช้เครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์อุณหภูมิสูง (ปลอกอินคอลอยย์ ฉนวน MgO) หรือเครื่องทำความร้อนไฟเบอร์เซรามิก ในช่วง 300–600 องศา อลูมิเนียมหล่อทองแดงและเหล็กดัดมีการใช้งานเฉพาะที่ต้องการการนำความร้อน ส่วนประกอบใดๆ จะแตกหักอย่างรวดเร็วหากเกินอุณหภูมิต่อเนื่องสูงสุด นี่คือวิธีที่ขีดจำกัดของวัสดุกำหนดขอบเขตการทำงานที่เป็นไปได้ โดยการเลือกใช้วัสดุแผ่นและประเภทเครื่องทำความร้อนที่เหมาะสม อาจออกแบบแผ่นทำความร้อนอุณหภูมิสูงที่เชื่อถือได้สำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่มีความต้องการสูง