Промишлените сензори трябва да работят в доста сурови условия – например при разтопен метал с температури около 1750 градуса по Целзий или в химически заводи, където условията са изключително тежки. За защита на тези сензори често се използват керамични тръби като първична броня срещу повреди. Обикновено те се изработват от материали като алумина или циркониеви композити, които издържат на екстремни температури, без да се разграждат, и не влизат в химическа реакция с повечето вещества. Това, което отличава керамиката от метала, е способността ѝ да запазва формата си дори след многобройни цикли на нагряване и охлаждане. Това означава по-малко отклонение в показанията на сензорите, тъй като не се разширяват и свиват толкова много, колкото би направил металът. Според скорошно проучване от 2023 г. за издръжливостта на материали, замяната на обвивките от неръждаема стомана с керамични тръби е намалила подмяната на сензори с около две трети само в стъкларски фурни.
Когато става въпрос за екстремни температурни промени, керамичните тръби надминават постиженията на повечето обикновени материали, особено при бързи промени от 200 градуса Целзий в минута или повече, които сериозно напрягат компонентите и водят до образуване на пукнатини. Секретът отчасти се крие в техните свойства относно топлинното разширение. Вземете например алуминиевата керамика – тя се разширява с около 8,6 микрометра на метър на градус Целзий, което е значително по-ниско от 17,3, характерно за стандартна неръждаема стомана 316. Това означава, че керамичните части не уморяват толкова лесно от многократното загряване и охлаждане. Проучвания за това как тези материали издържат с течение на времето установиха нещо доста впечатляващо за тръбите въз основа на циркония. Установено е, че те издържат над 5000 пълни термични цикъла, при които температурата пада от горещи 1200 градуса до стайна температура от 25 градуса, без да показват признаци на износване. Такава издръжливост ги прави идеални за използване в индустриални условия като пещи и топлообработвателни фурни, където материалите постоянно се нагряват и охлаждат отново и отново.
В химически заводи и инсталации за изгаряне на отпадъци, керамичните тръби издържат на сурови условия, включително:
Проучвания за устойчивост на корозия потвърждават, че керамичната защита удължава живота на сензорите 3–5 пъти в петрохимически условия в сравнение с метални обвивки с полимерно покритие.
Керамичните защитни тръби могат да издържат температури до около 1600 градуса по Целзий при непрекъсната работа, а някои напреднали композитни версии са тествани при температури над 2000 градуса според последни изследвания върху високотемпературни материали. Полимерите са напълно различни – те започват да се разграждат, когато температурата надхвърли около 300 градуса. Основаните на алумина керамики се разширяват много малко – всъщност по-малко от 1 процента линейно, дори при 1200 градуса по Целзий. А след това има циркония, който е доста изключителен, защото може да издържи топлинни промени от над 500 градуса в минута, без да се напука. Тези свойства правят керамиката толкова ценна в екстремни среди, където други материали просто няма да издържат.
Ковалентните връзки в керамиката осигуряват изключителна устойчивост на термична умора. Тръбите от карбид на силиций издържат повече от 15 000 цикъла нагряване-охлаждане между 200 °C и 1 400 °C с по-малко от 2% постоянна деформация, което е потвърдено в проучвания на материали за ядрена енергия. Тази издръжливост е от съществено значение в пещи за топлинна обработка на метали, където ежедневните колебания често надвишават 800 °C.
При 1 200 °C обвивките от неръждаема стомана се разширяват с 12–15%, докато керамиката – само с 0,5–0,8%. Керамиката също избягва внезапни видове повреди като деформиране или стапяне, наблюдавани при металите. Данни от промишлеността показват, че сензорите с керамична защита в линии за закаляване на стъкло служат 8–10 години, значително по-дълго в сравнение с 2–3 години при уредите с метална защита.
Материали като алумина Al2O3 и циркония ZrO2 проявяват изключителна устойчивост към киселини, основи и различни разтворители дори при екстремни стойности на pH – от около 0,5 чак до 14. Това, което прави тези керамики толкова издръжливи, е тяхната способност да образуват защитни повърхностни слоеве, които по същество спират йоните да се движат и причиняват корозия. Това означава, че те могат да продължават да работят правилно в продължение на години в химически производствени съоръжения, където други материали биха се разградили много по-бързо. Ако разглеждаме металните варианти? Повечето метали просто не са проектирани да издържат в тези сурови среди. Изследванията показват, че много често срещани метали започват да показват признаци на повреда след само 300 до 500 часа излагане на подобни корозивни условия. Затова все повече промишлени приложения разчитат на керамични компоненти за критични части, които изискват дългосрочна надеждност.
Нови проучвания подчертават превъзходната издръжливост на керамичните защитни тръби в промишлени корозивни среди:
| Химичен контакт | Алумина (1 000 ч) | неръждаема стомана 316 (1 000 ч) | Губитък на маса (%) |
|---|---|---|---|
| 20% Сярна киселина | 0.03 | 12.7 | -98% спрямо метал |
| 50% Натриева основа | 0.01 | 8.2 | -99% спрямо метал |
| Хлорирани разтворители | 0.00 | 4.1 | -100% спрямо метал |
Източник: Списание за материали при високи температури, 2023
Тези резултати подчертават способността на керамиката да устои на точково корозия и напрежение при разтваряне в среди с променящи се pH и халогенни съединения.
Керамичните защитни тръби работят изключително добре в стъкларски пещи, работещи при температури над 1400 градуса по Целзий, тъй като те се разширяват много слабо при нагряване и не влизат в химическа реакция с околните вещества. Тези тръби остават непокътнати, дори когато бъдат поставени директно в разтопено стъкло, без да се разпаднат или повредят, което предотвратява смесването на нежелани материали в крайния продукт. Точните показания за температурата са от голямо значение за контрола на течността или гъстота на стъклото по време на обработката. Дори малки промени от плюс или минус 5 градуса могат да направят разликата дали готовите стъклени изделия ще отговарят на качествените стандарти или ще бъдат отхвърлени.
Печите за цимент подлагат сензорите на температури от 1450 °C, алкални изпарения и абразивни частици от клинкер. Композити от алумина и цирконий предлагат три пъти по-дълъг експлоатационен срок в сравнение с металните алтернативи при тези условия, намалявайки честотата на поддръжката в завъртащи се пещи. Непорестата им структура също предотвратява натрупването на циментни отлагания, които биха могли да изкривят измерванията.
Тръби от високочиста алумина запазват размерната си стабилност в керамични пещи за изпичане при температури 1600–1800 °C, предотвратявайки отклонения на сензорите и осигурявайки точност ±2 °C в продължение на 5000 цикъла. В пещи за термична обработка на метали керамичните тръби устояват на карбуритизация и окаляване — типични причини за повреда на метални обвивки.
Проучване от 2023 г. на 200 индустриални предприятия показа, че 68% преминават от метална към керамична защита на сензорите в приложения с висока температура. Основните причини включват увеличение на средното време между повредите с 40–60% и съвместимост с IIoT системи, изискващи стабилни сигнали с нисък шум.
Повечето промишлени керамични защитни тръби разчитат на материали като алумина, циркония или различни композитни смеси, за да постигнат трудното равновесие между това, което работи добре, и това, което е финансово оправдано. Вариантът от 99,5% чиста алумина остава популярен за ежедневна употреба поради високата си стабилност при температурни колебания в пещите, благодарение на коефициента си на топлинно разширение около 8,1 x 10^-6 на градус Целзий. Когато условията са изключително тежки, производителите използват циркония, който някак си успява да осъществи съпротивление на скъсване под напрежение около три пъти по-добро в сравнение с обикновените керамики, благодарение на специалното свойство, наречено уплътняване чрез фазово преобразуване. За свръхчистите среди, необходими в производствени линии за полупроводници, все повече компании предпочитат карбид на силиций, смесен с алумина, тъй като тези хибридни материали не позволяват замърсители да проникват толкова лесно, колкото традиционните варианти.
| Имот | Алуминия | Циркониев оксид |
|---|---|---|
| Твърдост (по Викерс) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Максимална работна температура | 1,750 °C | 2,400 °C |
| Устойчивост на термичен шок | Умерена | Отлично |
| Химическа устойчивост | Толерантност към силни киселини | Стабилност в алкални разтвори |
Анализите на материали от 2024 г. показват, че фазовата стабилност на циркония при температури над 1100 °C го прави по-подходящ за топлоелектрически централи, използващи въглища, докато алуминият остава икономическия избор за химическа обработка при температури под 900 °C.
Изследователи, работещи върху напреднали материали, започнаха да създават композити от алумина и циркония, смесени с оксиди на редкоземни елементи. Тези нови материали водят до получаването на тръби, способни да издържат над 5000 топлинни цикъла, което представлява около 70% по-добра производителност в сравнение със стандартните керамични решения, налични в момента. Друг пробив идва от версиите, подсилени със силициев нитрид, които показват впечатляващи 98% устойчивост срещу корозия в целия pH спектър от 1 до 14, нещо, което преди е причинявало сериозни проблеми именно за съоръженията за пречистване на отпадъчни води. Прогнозите за пазара сочат, че тези композитни керамични защитни тръби биха могли да се утвърдят в около 35% от индустриалните приложения за сензори по света до средата на десетилетието, както съобщават експерти в областта на технологиите за топлинни системи.
EN
