Průmyslové senzory musí pracovat za poměrně extrémních podmínek, například v těsné blízkosti roztaveného kovu při teplotách okolo 1 750 stupňů Celsia nebo uvnitř chemických závodů, kde jsou podmínky velmi náročné. Pro ochranu těchto senzorů se často používají keramické trubice jako hlavní bariéra proti poškození. Tyto trubice jsou obvykle vyrobeny z materiálů jako jsou kompozity na bázi aluminu nebo zirkonu, které snesou extrémní teplo bez rozpadu a chemicky nereagují s většinou látek. To, co odlišuje keramiku od kovů, je její schopnost zachovat tvar i po bezpočtu cyklů ohřevu a chlazení. To znamená menší drift měřených hodnot senzorů, protože se neexpandují a nesmršťují tak jako kovy. Podle nedávného výzkumu zveřejněného v roce 2023 o odolnosti materiálů vedla výměna nerezových plášťů za keramické trubice samotně ve sklenárnách ke snížení výměn senzorů zhruba o dvě třetiny.
Pokud jde o odolnost vůči extrémním teplotním výkyvům, keramické trubky jednoznačně převyšují většinu běžných materiálů, zejména pokud jde o rychlé změny o 200 stupňů Celsia za minutu nebo více, které skutečně zatěžují komponenty a vedou ke vzniku trhlin. Tajemství částečně spočívá i ve vlastnostech tepelné roztažnosti. Uvažujme například oxid hlinitý – ten se roztahuje přibližně o 8,6 mikrometru na metr a stupeň Celsia, což je mnohem méně než 17,3 u běžné nerezové oceli 316. To znamená, že keramické díly nepodléhají takové únavě způsobené opakovaným ohříváním a ochlazováním. Studie zkoumající dlouhodobou odolnost těchto materiálů zjistily něco působivého konkrétně u trubek na bázi zirkonu. Ukázalo se, že vydržely více než 5 000 úplných tepelných cyklů, kdy se teplota snižovala z horka 1 200 stupňů až na pokojových 25 stupňů, aniž by se projevily jakékoli známky opotřebení. Taková odolnost je činí ideální volbou pro průmyslové aplikace, jako jsou peci nebo zařízení pro tepelné zpracování, kde dochází k opakovanému zahřívání a ochlazování.
Ve chemických závodech a spalovnách odpadu keramické trubky odolávají extrémním podmínkám, včetně:
Studie korozivzdornosti potvrzují, že keramická ochrana prodlužuje životnost senzorů o 3–5krát ve srovnání s polymerem pokrytými kovovými pouzdry v petrochemickém prostředí.
Keramické ochranné trubky vydrží teploty až přibližně 1 600 stupňů Celsia při nepřetržitém provozu, a některé pokročilé kompozitní verze byly podle nedávných studií o materiálech odolných proti vysokým teplotám testovány i nad 2 000 stupňů. Polymery jsou naprosto jiné – začínají se rozkládat, jakmile teplota překročí přibližně 300 stupňů. Hliníkové keramiky se rozpínají velmi málo, ve skutečnosti méně než 1 procento lineárně, a to i při 1 200 stupních Celsia. Pak je tu oxid zirkoničitý, který je docela úžasný, protože snese tepelné změny přesahující 500 stupňů za minutu, aniž by praskl. Tyto vlastnosti činí keramiku tak cennou v extrémních prostředích, kde jiné materiály by jednoduše nevydržely.
Kovalentní vazby v keramice zajišťují výjimečnou odolnost proti tepelnému únavovému poškození. Trubky ze sloučeniny křemíku a uhlíku vydrží více než 15 000 cyklů ohřevu a chlazení mezi 200 °C a 1 400 °C s trvalou deformací menší než 2 %, což bylo potvrzeno v materiálových studiích pro jadernou energetiku. Tato odolnost je nezbytná v pecích pro tepelné zpracování kovů, kde denní výkyvy teploty často přesahují 800 °C.
Při teplotě 1 200 °C se nerezová ocel roztahuje o 12–15 %, zatímco keramika pouze o 0,5–0,8 %. Keramika také nevykazuje náhlé poruchy, jako je deformace nebo tavení, které se objevují u kovů. Průmyslová data ukazují, že senzory chráněné keramikou v linkách pro kalení skla vydrží 8–10 let, což je výrazně delší doba než 2–3 roky u zařízení s kovovou ochranou.
Materiály jako aluminu Al2O3 a zirkonie ZrO2 vykazují vynikající odolnost vůči kyselinám, zásadám a různým rozpouštědlům, a to dokonce při extrémních hodnotách pH od přibližně 0,5 až po 14. Tím, co tyto keramické materiály činí tak odolnými, je jejich schopnost vytvářet ochranné povrchové vrstvy, které v podstatě brání pohybu iontů a tím i koroznímu poškozování. To znamená, že mohou správně fungovat po mnoho let v zařízeních pro chemické zpracování, kde by jiné materiály selhaly mnohem dříve. Pokud se zaměříme na kovové možnosti? Většina kovů prostě není konstruována tak, aby vydržela v těchto náročných prostředích. Testy ukázaly, že mnoho běžných kovů začíná projevovat známky poškození již po 300 až 500 hodinách expozice podobným agresivním podmínkám. Proto spoléhá stále více průmyslových aplikací na keramické komponenty pro kritické části, u nichž je vyžadována dlouhodobá spolehlivost.
Nedávné studie zdůrazňují vynikající odolnost keramických ochranných trubek v průmyslových korozivních prostředích:
| Chemické vystavení | Alumina (1 000 h) | nerezová ocel 316 (1 000 h) | Ztráta hmotnosti (%) |
|---|---|---|---|
| 20% sírová kyselina | 0.03 | 12.7 | -98 % oproti kovu |
| 50% hydroxid sodný | 0.01 | 8.2 | -99 % oproti kovu |
| Chlorované rozpouštědla | 0.00 | 4.1 | -100 % oproti kovu |
Zdroj: Časopis pro materiály za vysokých teplot, 2023
Tyto výsledky zdůrazňují schopnost keramiky odolávat bodové a napěťové korozi v prostředích s kolísajícím pH a halogenovými sloučeninami.
Keramické ochranné trubice velmi dobře fungují ve sklovinnách, které pracují při teplotách vyšších než 1 400 stupňů Celsia, protože se při zahřívání téměř nerozšiřují a chemicky nereagují s žádným okolím. Tyto trubice zůstávají neporušené i tehdy, jsou-li umístěny přímo do taveniny skla, aniž by se rozpadly nebo poškodily, čímž se zabrání nežádoucím látkám proniknout do konečného produktu. Přesné měření teploty je velmi důležité pro řízení tekutosti nebo viskozity skla během zpracování. I malé změny o plus nebo minus 5 stupňů mohou rozhodnout o tom, zda hotové skleněné výrobky splní kvalitativní normy, nebo budou zamítnuty.
Cementové peci vystavují senzory teplotám až 1 450 °C, alkalickým vodám a abrazivním částicím slínku. Kompozity na bázi oxidu hlinitého a zirkonu vykazují při těchto podmínkách až trojnásobnou životnost ve srovnání s kovovými alternativami, čímž snižují frekvenci údržby v prostředí rotujících pecí. Jejich nepropustná struktura také brání usazování cementačních nánosů, které by mohly zkreslit měřené hodnoty.
Trubky z vysokokvalitního oxidu hlinitého zachovávají rozměrovou stabilitu v keramických pecích dosahujících teplot 1 600–1 800 °C, čímž zabraňují driftu senzorů a zajišťují přesnost ±2 °C po dobu 5 000 cyklů. V pecích pro tepelné zpracování kovů odolávají keramické trubky karburaci a ošupování – což jsou běžné příčiny poruch kovových pouzder.
Průzkum z roku 2023 provedený ve 200 průmyslových zařízeních odhalil, že 68 % z nich přechází od kovové k ochraně senzorů z keramiky v aplikacích s vysokým teplem. Hlavními důvody jsou o 40–60 % delší střední doba mezi poruchami a kompatibilita se systémy IIoT, které vyžadují stabilní signály s nízkým šumem.
Většina průmyslových keramických ochranných trubek spoléhá na materiály jako je aluminia, zirkonie nebo různé kompozitní směsi, které dosahují obtížné rovnováhy mezi tím, co dobře funguje, a co dává finanční smysl. Varianta aluminia o čistotě 99,5 % zůstává oblíbená pro běžné aplikace díky své stabilitě při kolísání teplot uvnitř pecí, a to díky koeficientu tepelné roztažnosti okolo 8,1 × 10^-6 na stupeň Celsia. Když jsou podmínky opravdu náročné, výrobci používají zirkonii, která nějakým způsobem odolává lomu za zatížení přibližně třikrát lépe než běžné keramiky, a to díky speciálnímu jevu nazývanému transformační tvrdnutí. Pro tyto extrémně čisté prostředí potřebné v linkách pro výrobu polovodičů upřednostňují mnohé společnosti karbid křemíku smíchaný s alminií, protože tyto hybridní materiály nedovolují nečistotám tak snadno pronikat jako tradiční materiály.
| Vlastnost | Oxid aluminia | Cirkonia |
|---|---|---|
| Tvrdost (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maximální provozní teplota | 1 750 °C | 2 400 °C |
| Odolnost vůči tepelnému nárazu | Střední | Vynikající |
| Chemická odolnost | Odolnost vůči silným kyselinám | Stabilita v alkalickém roztoku |
Analýzy materiálů z roku 2024 ukazují, že fázová stabilita oxidu zirkoničitého nad 1 100 °C činí tento materiál vhodnějším pro uhelné elektrárny, zatímco oxid hlinitý zůstává ekonomicky výhodnější volbou pro chemické procesy při teplotách pod 900 °C.
Výzkumníci pracující na pokročilých materiálech začali vytvářet kompozity oxidu hlinitého a zirkoniového smíchané s oxidy vzácných zemin. Tyto nové materiály vedou ke vzniku trubiček, které vydrží více než 5 000 tepelných cyklů, což představuje zhruba o 70 % lepší výkon ve srovnání se standardními keramickými variantami, jež jsou nyní dostupné. Dalším průlomem jsou verze zesílené nitridem křemičitým, které vykazují působivou odolnost proti korozi 98 % v celém rozsahu pH od 1 do 14, což dříve představovalo velký problém zejména pro čistírny odpadních vod. Podle prognóz by tyto kompozitní keramické ochranné trubičky mohly do poloviny desetiletí proniknout přibližně do 35 % průmyslových aplikací senzorů po celém světě, jak uvádějí odborníci specializující se na technologie tepelných systémů.
EN
