Kritik nuqtadan pastda kvartsning gidrotermik degradatsiyasi
Odatda 280–350 daraja va 10–20 MPa-da qaynab ketishining oldini olish uchun bosim ostida ushlab turiladigan kritik ostidagi bosimli suv-isitiladigan suyuq suv yarimoʻtkazgichli gofretni tozalashda (yuqori{6}}deionlashtirilgan suv yuvish), ilgʻor oksidlanish jarayonlarida va gidrotermal sintezda tobora koʻproq foydalanilmoqda. Kremniyning eruvchanligi keskin pasayib ketadigan o'ta kritik suvdan farqli o'laroq, kritik haroratga (374 daraja) yaqin bo'lgan subkritik suv kremniyning eruvchanligida maksimal darajada namoyon bo'ladi. 300-350 daraja haroratda amorf kremniyning toza suvda eruvchanligi 300-500 ppm ga etadi, bu xona haroratidan taxminan 100 baravar yuqori. Ushbu yuqori eruvchanlik suvga cho'mdiruvchi isitgichlar sifatida ishlatiladigan kvarts qoplamalarining uzluksiz erishini ta'minlaydi. Bir vaqtning o'zida yuqori bosim (10-20 MPa) kvarts trubkasiga tashqi bosim kuchlanishini keltirib chiqaradi, bu burilish yoki portlashni oldini olish uchun etarli devor qalinligini talab qiladi. Kimyoviy eritmaning va mexanik bosim yuklanishining kombinatsiyasi noyob dizayn muammosini yaratadi: devor qalinligi kremniy dioksidini barqaror ravishda olib tashlashga qarshi korroziyaga chidamliligini va tashqi gidrostatik bosimga bardosh berish uchun etarli qattiqlikni ta'minlashi kerak. Ushbu tahlil harorat va bosim funktsiyalari sifatida subkritik deionizatsiyalangan suvda kremniyning eruvchanligi va erish kinetikasini aniqlaydi, bosimni ushlab turish uchun minimal devor qalinligini aniqlaydi va 500-5000 soatlik maqsadli xizmat muddatiga erishish uchun zarur bo'lgan dastlabki devor qalinligini oladi. Tanlov tizimi toza yuqori{25}}toza suv tizimlarini hujumni tezlashtiradigan iz ionli yoki organik ifloslantiruvchi moddalardan ajratib turadi.
Subkritik bosimli suvda kremniyning eruvchanligi va erish kinetikasi
Eritilgan kremniy oksidining toza suvda muvozanatli eruvchanligi harorat taxminan 360 darajaga ko'tarilganda, log₁₀(S)=A - B/T munosabati bo'yicha eksponensial ravishda oshadi, bu erda S - mg/kg (ppm) da eruvchanlik, T - mutlaq harorat, A va B esa empirik doimiylar. 280 daraja (to'yinganlik bosimi ~ 6,5 MPa) da eruvchanligi taxminan 120 ppm. 320 daraja (11 MPa) da eruvchanlik 250 ppm ga etadi. 350 daraja (16,5 MPa) da eruvchanligi 380-420 ppm. 360 gradusda u o'ta kritik mintaqada pasayishdan oldin 500 ppm ga yaqin cho'qqiga chiqadi.
Kvarsning bu muvozanatga yaqinlashish tezligi massa uzatish chegara qatlami tomonidan boshqariladi. Oqimli tizimlarda (yarim o'tkazgichli ho'l skameykalarda yoki aylanma halqalarda odatda) erish tezligi R=k_m × (C_sat - C_bulk) bilan belgilanadi, bu erda k_m - massa o'tkazish koeffitsienti (odatda 0,001-0,005 mm/soat / ppm oqim tezligiga qarab). C_bulk nolga yaqin bo'lgan toza tizimlarda (yangi deionizatsiyalangan suv), 320 gradusdagi dastlabki erish tezligi eruvchanlik ppm uchun taxminan 0,002-0,004 mm/soatni tashkil qiladi, bu 250 ppm eruvchanlik uchun 0,5-1,0 mm/soatni tashkil qiladi. Bu eritilgan kaustik bilan solishtirish mumkin bo'lgan-o'ta yuqori. 2,0 mm kvarts qobig'i 2-4 soat ichida butunlay eriydi. Biroq, aylanma tizimlarda C_bulk vaqt o'tishi bilan ko'payib, harakatlantiruvchi kuchni kamaytiradi. Ruxsat etilgan suv hajmi va katta kvarts yuzasiga ega bo'lgan yopiq pastadirda tizim to'yinganlikka yaqinlashadi va eritma tezligi nolga yaqinlashadi. Toza suv doimo isitgich ustidan o'tadigan doimiy oqim tizimlarida massa kontsentratsiyasi past bo'lib qoladi va erish tezligi yuqori bo'lib qoladi.
330 gradus, 12 MPa va oqim tezligi 0,5 m/s deionlashtirilgan suv bilan bir martalik-oʻtkazgichli oqim halqasidan olingan eksperimental maʼlumotlar barqaror{4}}holatning 0,08–0,12 mm/soatlik eritma tezligini koʻrsatadi, chunki silsilaning dastlabki darajasidan ancha past. kvarts yuzasida chegara qatlami hosil bo'ladi. Shunga qaramay, bu ko'rsatkich hali ham agressivdir: 2,0 mm devor 17-25 soat ichida teshiladi. 300 daraja haroratda tezlik 0,02-0,04 mm/soatgacha pasayib, 50-100 soatlik umr beradi. 280 gradusda tezlik 0,008–0,015 mm/soatni tashkil etib, 130–250 soatni ta'minlaydi. Minglab soatlarni talab qiladigan amaliy sanoat xizmati uchun kvarts faqat 280 darajadan past bo'ladi. 300 darajadan yuqori haroratda, hatto qalin devorlar ham (5-10 mm) bir necha hafta ichida eriydi.
The presence of trace ionic contaminants dramatically alters these rates. Silica solubility is suppressed by dissolved salts (the "salting-out" effect). In water with 1 ppm sodium chloride, silica solubility decreases by approximately 10%. In 10 ppm NaCl, it decreases by 30–40%. Thus, in semiconductor applications where ultrapure water (resistivity >18 MŌ·sm) ishlatiladi, eruvchanligi maksimal va korroziya eng tezdir. Ion kuchi yuqori bo'lgan sanoat suvlarida kvartsning erishi sekinroq. Aksincha, iz organik birikmalar (masalan, qoldiq fotorezist) kremniy kislotasi bilan komplekslar hosil qilib, eruvchanligini oshiradi va hujumni tezlashtiradi. Isitgichni loyihalash uchun suvning tozaligi harorat kabi muhimdir.
Subkritik kvarts qoplamalari uchun bosimni ushlab turish talablari
280-350 darajali subkritik suv tizimlarida tashqi bosim bu haroratda suvning to'yinganlik bosimi bo'lib, 280 daraja haroratda taxminan 6,5 MPa dan 350 daraja haroratda 16,5 MPa gacha. Inert gaz qoplamali bosimli tizimlarda bosim yanada yuqori bo'lishi mumkin (masalan, 20 MPa). Ichkarida atmosfera bosimiga ega bo'lgan kvarts qobig'i burishmasdan yoki portlamasdan bu tashqi bosimga bardosh berishi kerak. Oldin o'ta kritik xizmat uchun olinganidek, yupqa devorli quvur uchun kritik burilish bosimi P_kritik=(E / (1-n²)) × (t/R)³ / 4. 20 mm tashqi diametrli kvarts trubkasi uchun (R=10 mm) xona haroratida taxminan 350 GPa (E) haroratda 350 gradusgacha pasayish 350 gradusda 68 GPa ), 16,5 MPa bosimga qarshi 2 xavfsizlik omili uchun minimal devor qalinligi hisoblanadi. P_kritik / 2=16.5 MPa → P_kritik=33 MPa ni sozlash. Yechish (68e9 / 0,97) × (t/10)³ / 4=33e6 → (70,1e9) × (t/10)³ / 4=33e6 → (t/10)³=(33e6 × 4) / 70,1e9=1320}16e9=132e16 t/10=0.1235 → t=1.235 mm. 20 MPa uchun t_min=1.35 mm. 280 daraja (6,5 MPa) uchun t_min=0.9 mm. Shunday qilib, faqat bosimni ushlab turish uchun odatiy diametrlar uchun devor qalinligi 1,0 dan 1,5 mm gacha bo'lishi kerak. Bu kamtarona va kvarts isitgichlarining ko'p dizaynlari tomonidan osonlik bilan qondiriladi. Bosim emas, korroziyaga chidamlilik uzoq xizmat qilish muddati uchun kerakli qalinlikni belgilaydi.
Qanday qilib devor qalinligi korroziyaga qarshi kurash va termal ishlashni muvozanatlashtiradi
Subkritik suv xizmati uchun zarur bo'lgan dastlabki devor qalinligi t_intial=t_pressure + (korroziya tezligi × istalgan xizmat muddati). 280 gradusda korroziya tezligi 0,010 mm/soat va istalgan xizmat muddati 2000 soat, korroziyaga chidamlilik=20 mm, bu absurd darajada katta. Bu shuni ko'rsatadiki, agar suv kremniy dioksidi bilan to'yingan bo'lmasa, kvarts bilan 280 daraja doimiy ishlash mumkin emas. Amalda, kvarsli isitgichlardan foydalanadigan subkritik suv tizimlari ikkita rejimdan birida ishlaydi: (1) suvning silika{15}}to'yinganligi, dastlabki davrdan keyin korroziya tezligini kamaytirish yoki (2) juda qisqa ta'sir qilish vaqtlari (masalan, isitish moslamasi faqat daqiqalar uchun tez issiqlik bilan ishlov berish) bo'lgan vaqt o'tishi bilan to'yingan kremniy dioksidiga aylanadigan partiyaviy yoki aylanma tizimlar. Sirkulyatsiya qiluvchi tizimlar uchun dastlabki eritma dastlabki bir necha yuz soat ichida 0,2-0,5 mm kvartsni olib tashlashi mumkin, shundan so'ng bu tezligi pasayadi.<0.001 mm/hour. A 2.0 mm wall with an initial loss of 0.5 mm leaves 1.5 mm, which then degrades very slowly. Such systems can operate for years with quartz heaters. For once-through systems, quartz is not recommended above 250°C.
Subkritik suvda qalinroq devorlarning issiqlik ta'siri katta ahamiyatga ega, chunki 280-350 darajali suv yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga (0,6-0,7 Vt / (m·K)) va past yopishqoqlikka ega bo'lib, oddiy oqimda 2000-5000 Vt / (m²·K) konvektiv koeffitsientlarga imkon beradi. Chegara qatlamining qarshiligi juda past (0,0002–0,0005 m²·K/Vt). Kvarsning o'tkazuvchanlik qarshiligi ustunlik qiladi. 1,5 mm devor uchun R_cond=0.00109 m²·K/Vt, U ≈ 1/(0.00109+0.0003)= 720 Vt/(m²·K). 3,0 mm devor uchun U ≈ 1/(0.00217+0.0003)= 405 Vt/(m²·K)-44% qisqarish. Bu jazo juda katta. Yuqori issiqlik oqimini talab qiladigan ilovalar uchun (masalan, gofretni tez isitish) yupqa devorlar juda muhimdir. Pastroq issiqlik oqimi ilovalari uchun qalinroq devorlar qabul qilinishi mumkin.
Ssenariy-Subkritik bosimli suv xizmatida kvarts qoplamasi devor qalinligi uchun asoslangan tanlash matritsasi
| Ilova stsenariysi va ishlash parametrlari | Tavsiya etilgan devor qalinligi | Miqdorli savdoning asosiy asosi-O‘chirish |
|---|---|---|
| Sirkulyatsiya qiluvchi yuqori tozalikdagi suv halqasi (280 daraja, 6,5 MPa, kremniy dioksidi bilan toʻyingan yopiq tizim, 1 yillik texnik xizmat koʻrsatish) | 2,0 – 2,5 mm, yuqori-tozalikdagi kvarts | Dastlabki eritish ~0,3 mm ni olib tashlaydi, keyin tezlikning pasayishi. 2.0 mm to'yingandan keyin qolgan 1,7 mmni ta'minlaydi. U ≈ 550 Vt/(m²·K). |
| Bir marta-gofret bilan yuvish (300 daraja, 8,5 MPa, o'ta toza suv, uzluksiz oqim) | Kvars emas - PFA yoki safirdan foydalaning | Eritma tezligi 0,04 mm/soat. 2.5 mm 60 soat ichida muvaffaqiyatsizlikka uchraydi. Muqobil material talab qilinadi. |
| Partiyali gidrotermal sintez (320 daraja, 11 MPa, 24 soatlik tsikllar, har bir partiya uchun toza suv, 50 partiya/yil) | 2,5 – 3,0 mm,-chizilgan | Har bir -partiyadagi yo'qotish ~0,2 mm (stavka 0,008 mm/soat × 24 soat). 3.0 mm ~15 partiya (3 oy) davom etadi. Sarf sifatida qabul qilinadi. |
| Bosimli DI suv isitgichi (250 daraja, 4 MPa, yopiq pastadir, past oqim) | 1,5 - 2,0 mm, standart nav | 260 darajadan past, korroziya darajasi<0.005 mm/hour. 2.0 mm provides >400 soat boshlang'ich hayot, keyin sekinlashadi. U ≈ 700 Vt/(m²·K). |
| Yuqori{0}}haroratli deionlashtirilgan suv (350 daraja, 16,5 MPa, istalgan konfiguratsiya) | Kvars emas - titanium yoki Inconeldan foydalaning | Silica solubility >400 ppm. Dissolution rate >0,10 mm/soat. Kvars devor qalinligidan qat'iy nazar amaliy emas. |
Subkritik suv isitgichlari uchun qo'shimcha dizayn modifikatsiyalari
Uchta strategiya yuqorida tavsiya etilgan harorat chegaralaridan tashqari subkritik suvda kvartsdan foydalanishga imkon beradi. Birinchidan, suvning oldindan toʻyinganligi-: suvni ish haroratida kvarts chiplari bilan oʻralgan toʻshakdan oʻtkazish suvni isitgichga tegmasdan oldin kremniy kislotasi bilan toʻyintiradi. Bu eritmaning harakatlantiruvchi kuchini yo'q qiladi, korroziya tezligini nolga yaqinlashtiradi. Oldindan{4}}to'yinganlik ustuni murakkablikni oshiradi, lekin kvarts isitgichlarining minglab soatlar davomida 320 darajada ishlashiga imkon beradi. Ikkinchidan, pH sozlamalari: iz ammiak qo'shilishi (pH 9-10 gacha) kremniyning eruvchanligini oshiradi? Aslida, kremniyning eruvchanligi neytral pH yaqinida minimal bo'lib, kislotali va ishqoriy sharoitlarda ortadi. Neytral pH (6–7) ni saqlab qolish eruvchanlikni kamaytiradi. Uchinchidan, sirt qoplamasi: yupqa (1-2 mkm) kremniy nitridi yoki bor nitridining kvarts yuzasida kimyoviy bug'lanishi suvning tarqalishiga qarshi to'siq bo'lib, 300 gradusda erishni 90% ga kamaytiradi. Biroq, termal tsikl ostida qoplamaning yaxlitligi qiyin.
Xulosa: harorat chegaralari aniq bo'lgan subkritik bosimli suv uchun kvarts devor qalinligini aniqlash
Kvarts suvga cho'mdiruvchi isitgichlar 260–280 darajagacha bo'lgan haroratda subkritik bosimli deionizatsiyalangan suvda ishonchli ishlatilishi mumkin, agar tizim yopiq bo'lsa yoki silika to'yinganligi sodir bo'ladigan-aylansa. Bunday sharoitlarda 2,0-2,5 mm devor qalinligi etarli darajada korroziyaga qarshi himoyani ta'minlaydi (dastlabki to'yinganlik davrida 0,3-0,5 mm yo'qotish) va minglab soatlar davomida strukturaning yaxlitligini saqlaydi. Qalinroq devorlarning issiqlik jazosi o'ta yupqa devorlarga nisbatan 20–40% ni tashkil qiladi, lekin ko'pchilik ilovalar uchun maqbuldir. Bir martalik{13}}tizimlar yoki 300 darajadan yuqori haroratlarda kvartsning erish tezligi soatiga 0,04 mm dan oshadi, bu devor qalinligidan qat'iy nazar uni amaliy bo'lmaydi; safir (yagona kristall Al₂O₃), PFA-qoplamali quvurlar yoki titan qoplamalar kabi muqobil materiallar ko'rsatilishi kerak. Yuqori haroratli bosimli{19}}suv isitgichlari uchun kotirovkalarni so'raganda, tizimning aylanma yoki bir marta-aylanayotganini, suvning tozaligi (qarshilik yoki o'tkazuvchanlik), maksimal harorat va bosim hamda istalgan xizmat muddatini belgilang. Bu ishlab chiqaruvchiga 280 darajadan past aylanma tizimlar uchun optimal devor qalinligi-odatda 2,0–2,5 mm ni tavsiya qilish imkonini beradi, aniq ko'rsatma bilan kvars bir marta 260 darajadan yuqori xizmat ko'rsatishda uzluksiz-to'g'ri kelmaydi.
