تحتاج المستشعرات الصناعية إلى العمل في ظروف قاسية جدًا، مثل المعادن المنصهرة عند درجات حرارة تصل إلى حوالي 1,750 درجة مئوية أو داخل مصانع معالجة المواد الكيميائية حيث تكون الظروف شديدة للغاية. ولحماية هذه المستشعرات، تُستخدم غالبًا الأنابيب الخزفية كدرع أساسي ضد التلف. وعادةً ما تصنع هذه الأنابيب من مواد مثل أكاسيد الألومينا أو الزركونيا المركبة التي يمكنها تحمل الحرارة الشديدة دون أن تتفكك، ولا تتفاعل كيميائيًا مع معظم المواد. ما يميز الخزفيات عن المعادن هو قدرتها على الحفاظ على شكلها حتى بعد المرور بعدد لا يحصى من دورات التسخين والتبريد. وهذا يعني انحرافًا أقل في قراءات المستشعر لأنها لا تتسع أو تن coنtract بقدر ما يحدث في المعادن. ووفقًا لأبحاث حديثة نُشرت في عام 2023 حول متانة المواد، فإن الاستبدال من أغلفة الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أنابيب خزفية قلل استبدال المستشعرات بنحو الثلثين فقط في أفران الزجاج.
عندما يتعلق الأمر بالتعامل مع التقلبات الشديدة في درجات الحرارة، فإن الأنابيب الخزفية تتفوق بوضوح على معظم المواد التقليدية، خاصةً عند التعامل مع التغيرات السريعة التي تصل إلى 200 درجة مئوية في الدقيقة أو أكثر، والتي تُخضع المكونات لضغط شديد وتؤدي إلى تكوّن تشققات. وتكمن الجزء من هذه الأفضلية في خصائص التمدد الحراري لهذه المواد أيضًا. فعلى سبيل المثال، فإن الخزف الألوميني يتمدد بحوالي 8.6 ميكرومتر لكل متر لكل درجة مئوية، وهي قيمة أقل بكثير من العلامة البالغة 17.3 التي تُلاحظ في الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي من النوع 316. وهذا يعني أن الأجزاء الخزفية لا تتعرض للتآكل الناتج عن عمليات التسخين والتبريد المتكررة بنفس الدرجة. وقد أظهرت الدراسات التي تبحث في مدى قدرة هذه المواد على الصمود مع مرور الوقت نتائج مثيرة للإعجاب بشكل خاص بالنسبة للأنابيب القائمة على الزركونيا. فقد ثبت أنها قادرة على تحمل أكثر من 5,000 دورة حرارية كاملة، تمتد من درجة حرارة ساخنة للغاية تبلغ 1,200 درجة مئوية حتى درجة حرارة الغرفة البالغة 25 درجة مئوية، دون أن تُظهر أي علامات على التلف. وتجعل هذه الدرجة من المتانة منها مرشحة مثالية للاستخدام في البيئات الصناعية مثل الأفران الحرفية وأفران المعالجة الحرارية، حيث تُسخن المواد ثم تُبرد مرارًا وتكرارًا.
في المصانع الكيماوية ومحارق النفايات، تتحمل الأنابيب الخزفية الظروف القاسية بما في ذلك:
تؤكد دراسات مقاومة التآكل أن الحماية الخزفية تمدد عمر الحساسات من 3 إلى 5 مرات في البيئات البتروكيماوية مقارنة بالأغلفة المعدنية المغطاة بالبوليمر.
يمكن لأنابيب الحماية الخزفية تحمل درجات حرارة تصل إلى حوالي 1600 درجة مئوية عند التشغيل المستمر، وبعض الإصدارات المركبة المتقدمة قد تم اختبارها عند أكثر من 2000 درجة وفقًا للدراسات الحديثة حول المواد ذات درجات الحرارة العالية. أما البوليمرات فهي مختلفة تمامًا، إذ تبدأ في التحلل بمجرد تجاوز درجات الحرارة حوالي 300 درجة. كما أن الخزفيات القائمة على الألومينا تتمدد بشكل ضئيل جدًا، بل أقل من 1 بالمئة خطيًا حتى عند 1200 درجة مئوية. ثم هناك الزركونيا التي تعد رائعة حقًا لأنها قادرة على تحمل تغيرات حرارية تتجاوز 500 درجة في الدقيقة دون أن تنكسر. هذه الخصائص هي ما تجعل الخزفيات ذات قيمة كبيرة في البيئات القاسية حيث لا يمكن للمواد الأخرى أن تصمد.
توفر الروابط التساهمية في الخزفيات مقاومة استثنائية لتعب الحرارة. تتحمل أنابيب كربيد السيليكون أكثر من 15,000 دورة تسخين وتبريد بين 200°م و1,400°م مع تشوه دائم أقل من 2%، وقد تم التحقق من ذلك في دراسات المواد للطاقة النووية. هذه المتانة ضرورية في أفران المعالجة الحرارية للمعادن، حيث غالباً ما تتجاوز التقلبات اليومية 800°م.
عند 1,200°م، يتمدد الغمد المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ بنسبة 12–15%، في حين تتمدد الخزفيات فقط بنسبة 0.5–0.8%. كما تتجنب الخزفيات حالات الفشل المفاجئة مثل التشوه أو الانصهار التي تُرى في المعادن. تشير بيانات الصناعة إلى أن أجهزة الاستشعار المحمية بالخزفيات في خطوط تقوية الزجاج تدوم من 8 إلى 10 سنوات، وهي فترة أطول بكثير من 2 إلى 3 سنوات التي تحققها الوحدات المحمية معدنيًا.
تُظهر مواد مثل الألومينا Al2O3 والزركونيا ZrO2 مقاومة ملحوظة للأحماض والقواعد ومختلف المذيبات، حتى عند مستويات الأس الهيدروجيني القصوى التي تتراوح من حوالي 0.5 وحتى 14. ما يجعل هذه السيراميك متينة إلى هذا الحد هو قدرتها على تكوين طبقات سطحية واقية تمنع بشكل أساسي حركة الأيونات التي تسبب التآكل. وهذا يعني أنها يمكن أن تستمر في العمل بشكل صحيح لسنوات في منشآت المعالجة الكيميائية، حيث تتفكك المواد الأخرى بسرعة أكبر بكثير. أما إذا نظرنا إلى الخيارات المعدنية؟ ففي الواقع، لا تُصنع معظم المعادن لتكون متينة في هذه البيئات القاسية. وقد أظهرت الاختبارات أن العديد من المعادن الشائعة تبدأ في إظهار علامات الفشل بعد تعرضها لمدة تتراوح بين 300 و500 ساعة فقط لظروف تآكل مماثلة. ولهذا السبب تعتمد العديد من التطبيقات الصناعية الآن على مكونات سيراميكية للأجزاء الحرجة التي تتطلب موثوقية طويلة الأمد.
تُظهر الدراسات الحديثة التحمل الفائق لأنابيب الحماية الخزفية في المواد الكيميائية الصناعية المسببة للتآكل:
| التعرض للمواد الكيميائية | ألومينا (1,000 ساعة) | الفولاذ المقاوم للصدأ 316 (1,000 ساعة) | فقدان الكتلة (%) |
|---|---|---|---|
| حمض الكبريتيك 20% | 0.03 | 12.7 | -98% مقارنةً بالمعادن |
| هيدروكسيد الصوديوم 50% | 0.01 | 8.2 | -99% مقارنةً بالمعادن |
| المذيبات المكلورة | 0.00 | 4.1 | -100% مقارنةً بالمعادن |
المصدر: مجلة مواد درجات الحرارة العالية، 2023
تُبرز هذه النتائج قدرة السيراميك على مقاومة التآكل والتشقق الناتج عن الإجهاد في البيئات التي تتغير فيها درجة الحموضة (pH) وتتواجد فيها مركبات الهالوجين.
إن أنابيب الحماية السيراميكية تعمل بشكل جيد للغاية في أفران الزجاج التي تعمل عند درجات حرارة تزيد عن 1,400 درجة مئوية، لأنها تنخفض اتساعًا بشكل ضئيل جدًا عند التسخين ولا تتفاعل كيميائيًا مع أي شيء حولها. وتظل هذه الأنابيب سليمة حتى عند وضعها مباشرة في الزجاج المنصهر دون أن تنفصل أو تتضرر، مما يمنع دخول مواد غير مرغوب فيها إلى المنتج النهائي. وتكمن أهمية الحصول على قراءات دقيقة لدرجة الحرارة في التحكم بدرجة سيولة أو كثافة الزجاج أثناء المعالجة. حيث يمكن أن تحدث تغييرات صغيرة جدًا، مثل زائد أو ناقص 5 درجات، فرقًا كبيرًا في ما إذا كانت منتجات الزجاج النهائية تفي بمعايير الجودة أم يتم رفضها.
أفران الاسمنت تعرض أجهزة الاستشعار لدرجات حرارة 1450 درجة مئوية، بخارات قاعية، وجسيمات الكلنكر اللاصقة. توفر مواد الألومينا الزيركونيا المركبة ثلاث مرات عمر الخدمة من البدائل المعدنية في هذه الظروف ، مما يقلل من تواتر الصيانة في بيئات الفرن الدورية. كما أن بنيتها غير الشائكة تمنع تراكم رواسب الأسمنت التي يمكن أن تشوه القراءات.
أنابيب الألومينا عالية النقاء تحافظ على استقرار الأبعاد في أفران الطهي السيراميكية التي تصل إلى 1600-1800 درجة مئوية ، مما يمنع الانجراف من المستشعر ويضمن دقة ± 2 درجة مئوية على مدى 5000 دورة. في أفران المعالجة الحرارية للمعادن ، المقاومة الأنابيب السيراميكية الكربوريزة والتنظيم - أنماط الفشل الشائعة للغلاف المعدني.
كشف استبيان أجري في عام 2023 على 200 مصنع صناعي أن 68% منها تتحول من الحماية المعدنية إلى الحماية الخزفية لأجهزة الاستشعار في التطبيقات شديدة الحرارة. وتشمل العوامل الرئيسية زيادة الفترة المتوسطة بين الأعطال بنسبة 40–60٪، والتوافق مع أنظمة الإنترنت الصناعي للأشياء (IIoT) التي تتطلب إشارات مستقرة ومنخفضة الضوضاء.
تعتمد معظم أنابيب الحماية الخزفية الصناعية على مواد مثل الألومينا أو الزركونيا أو مزيج من المركبات المختلفة لتحقيق التوازن الصعب بين ما يعمل بشكل جيد وما يكون منطقيًا من الناحية المالية. لا يزال نوع الألومينا النقي بنسبة 99.5٪ شائع الاستخدام في التطبيقات اليومية بسبب استقراره العالي عند تغير درجات الحرارة داخل الأفران، وذلك بفضل معامل تمدده الحراري الذي يبلغ حوالي 8.1 × 10^-6 لكل درجة مئوية. وعندما تصبح الظروف قاسية جدًا، يلجأ المصنعون إلى الزركونيا التي تتمتع بقدرة فريدة على مقاومة الكسر تحت الإجهاد بمقدار ثلاث مرات تقريبًا مقارنة بالخزفيات العادية، وذلك من خلال خاصية تُعرف باسم التصلب التحويلي. وفي البيئات النظيفة جدًا المطلوبة في خطوط إنتاج أشباه الموصلات، يفضّل العديد من الشركات الآن كربيد السيليكون الممزوج بالألومينا، حيث إن هذه المواد الهجينة لا تسمح بمرور الملوثات بسهولة كما تفعل الخيارات التقليدية.
| الممتلكات | الألومينا | زركونيا |
|---|---|---|
| الصلابة (فيكرز) | 15–19 جيجا باسكال | 12 جيجا باسكال |
| درجة الحرارة القصوى للتشغيل | 1,750°م | 2,400°م |
| مقاومة الصدمات الحرارية | معتدلة | ممتاز |
| مقاومة الكيماويات | تحمل قوي تجاه الأحماض | استقرار الحل القلوي |
تشير تحليلات المواد من عام 2024 إلى أن استقرار الزركونيا الطوري فوق 1,100°م يجعلها أكثر ملاءمة لمحطات توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم، في حين تظل الألومينا الخيار الاقتصادي لمعالجة المواد الكيميائية عند درجات حرارة أقل من 900°م
بدأ الباحثون الذين يعملون في مجال المواد المتقدمة بإنتاج مواد مركبة من الألومينا والزركونيا الممزوجة بأكاسيد الأرض النادرة. تؤدي هذه المواد الجديدة إلى إنتاج أنابيب قادرة على الصمود لأكثر من 5000 دورة حرارية، وهو ما يمثل أداءً أفضل بنسبة حوالي 70٪ مقارنة بالخيارات الخزفية القياسية المتاحة حاليًا. وتأتي اختراق آخر من خلال إصدارات معززة نيتريد السيليكون التي تُظهر مقاومة مذهلة بنسبة 98٪ ضد التآكل عبر كامل نطاق الأس الهيدروجيني (pH) من 1 إلى 14، وهي مشكلة كانت تشكل تحديًا كبيرًا سابقًا لمرافق معالجة مياه الصرف الصحي على وجه التحديد. وتُشير التوقعات السوقية إلى أن هذه الأنابيب الحامية الخزفية المركبة قد تُصبح سائدة في حوالي 35٪ من تطبيقات أجهزة الاستشعار الصناعية حول العالم بحلول منتصف العقد، وفقًا لما ذكره خبراء متخصصون في تقنيات الأنظمة الحرارية.
EN
