熱電鋳造における研磨-腐食の課題
熱電ウェーハのキャスティングには、固形分 30% の 120 度のテルル化ビスマス (Bi2Te3) スラリーが使用されます。テルル粒子 (モース 2.5) は、テルルが水分と反応して亜テルル酸 (H₂TeO₃) を形成し、PFA の分解を促進する摩耗性の腐食性環境を作り出します。- 7 つの熱電製造施設からの定量分析では、相乗効果により摩耗率が単独の場合と比較して 2.5 倍増加することが示されています。 8000- 時間の耐用年数を実現するには、標準 PFA には 3.5 mm の壁が必要ですが、ガラス入り PFA (Shore D 72) には 2.5 mm の壁が必要です。
テルルの摩耗と腐食のメカニズム
テルル粒子 (10 ～ 50 μm) が PFA 表面を摩耗させ、新しいポリマーが露出します。テルルは水と反応します: Te + 2H₂O → TeO₂ + 4H⁺ + 4e⁻)、亜テルル酸 (pH 3-4) を形成します。酸は摩耗した表面を攻撃し、ポリマーを軟化させてさらに摩耗させます。この相乗効果により、どちらかのメカニズムだけでは予測できない加速的な摩耗が引き起こされます。 30% Bi₂Te₃、せん断力 2 m/s、120 度での試験:
| PFAグレード | 摩耗のみ(mm/1000h) | 腐食のみ (mm/1000h) | シナジー率 (mm/1000h) | シナジーファクター |
|---|---|---|---|---|
| 標準（ショアD65） | 0.15 | 0.08 | 0.45 | 2.0x |
| ガラス-入り（ショア D 70） | 0.08 | 0.06 | 0.25 | 1.8x |
| ガラス-入り（ショア D 72） | 0.06 | 0.05 | 0.18 | 1.6x |
| カーボン-充填（ショア D 75） | 0.04 | 0.05 | 0.14 | 1.6x |
8000時間のサービスに必要な壁の厚さ
最小誘電体の厚さは 1.2mm です。必要な初期厚さ=1.2mm + (シナジー率 × 8000h)。 8000時間（1年間連続）の場合：
| PFAグレード | シナジー率 (mm/1000h) | 8000hで摩耗(mm) | 必要な初期壁 (mm) | 実用仕様 |
|---|---|---|---|---|
| 標準（ショアD65） | 0.45 | 3.6 | 4.8 | 5.0mm（実用的ではありません） |
| ガラス-入り（ショア D 70） | 0.25 | 2.0 | 3.2 | 3.5mm |
| ガラス-入り（ショア D 72） | 0.18 | 1.44 | 2.64 | 3.0mm |
| カーボン-充填（ショア D 75） | 0.14 | 1.12 | 2.32 | 2.5mm |
高-せん断混合効果
高せん断混合（インペラ先端速度 4-6 m/s）により、摩耗速度と腐食速度の両方が増加します。 5 m/s では、ガラス充填 PFA (Shore D 72) の相乗率は 2 倍の 0.36 mm/1000 時間となり、4.0 mm の初期壁が必要になります。高せん断サービスの場合は、壁が 3.5 mm のカーボン充填 PFA を指定してください。-
テルル濃度と粒子サイズ
Higher tellurium concentration increases wear. At 40% solids, synergy rate increases 40%; at 20% solids, decreases 30%. Particle size also matters: coarse particles (>100 μm) 微粒子の 2 倍の摩耗を引き起こします (<20 µm). For Bi₂Te₃ casting with controlled particle size distribution, specify carbon-filled PFA for d90 > 50 µm.
仕様ガイダンス
For Bi₂Te₃ slurries at 120°C, 30% solids, 8000-hour service, specify carbon-filled PFA (Shore D 75) with 2.5mm minimum wall thickness for standard mixing (2-3 m/s). For high-shear mixing (>4 m/s)、3.5 mm の壁を指定します。実際の Bi₂Te₃ スラリーを使用した研磨-腐食試験のサプライヤー認証が必要です。炭素充填 PFA のプレミアム（標準より 40-50%）は、熱電ウェーハ鋳造で 8000- 時間の耐用年数を実現することで正当化されます。この場合、ヒーターの故障によりバッチ不良が発生し、50,000 ～ 200,000 ドルの費用がかかります。パイロットスケールの生産では、壁厚 4.0 mm で 4000 時間交換可能なガラス充填 PFA が許容される場合があります。
