Industriesensoren müssen unter ziemlich rauen Bedingungen arbeiten, zum Beispiel bei geschmolzenem Metall mit Temperaturen von etwa 1.750 Grad Celsius oder innerhalb chemischer Produktionsanlagen, wo die Bedingungen extrem sind. Zur Schutz dieser Sensoren werden häufig Keramikrohre als primärer Schutzschild gegen Beschädigungen eingesetzt. Diese Rohre bestehen typischerweise aus Materialien wie Aluminiumoxid- oder Zirkonoxid-Verbundstoffen, die extreme Hitze aushalten, ohne sich zersetzen zu müssen, und chemisch mit den meisten Substanzen nicht reagieren. Was Keramik im Vergleich zu Metallen besonders auszeichnet, ist ihre Fähigkeit, auch nach unzähligen Heiz- und Abkühlzyklen ihre Form beizubehalten. Das bedeutet weniger Drift bei den Sensorwerten, da sie sich nicht so stark ausdehnen und zusammenziehen wie Metall. Laut einer 2023 veröffentlichten Studie über die Haltbarkeit von Materialien hat der Wechsel von Edelstahlummantelungen zu Keramikrohren allein in Glasöfen den Austauf von Sensoren um etwa zwei Drittel reduziert.
Wenn es um den Umgang mit extremen Temperaturschwankungen geht, sind Keramikrohre den meisten herkömmlichen Materialien bei Weitem überlegen, insbesondere bei schnellen Änderungen von 200 Grad Celsius pro Minute oder mehr, die Bauteile stark belasten und zu Rissbildung führen können. Das Geheimnis liegt teilweise auch in ihren Wärmeausdehnungseigenschaften. Nehmen wir beispielsweise Aluminiumoxid-Keramik: Diese dehnt sich bei etwa 8,6 Mikrometer pro Meter pro Grad Celsius aus, deutlich unterhalb der 17,3-Marke bei Standard-Edelstahl 316. Das bedeutet, dass keramische Teile durch das wiederholte Erhitzen und Abkühlen wesentlich weniger ermüden. Untersuchungen zum Langzeitverhalten dieser Materialien haben etwas ziemlich Beeindruckendes über zirkoniumdioxidbasierte Rohre herausgefunden. Sie konnten über 5.000 vollständige thermische Zyklen von sengender Hitze bei 1.200 Grad bis hin zur Raumtemperatur von 25 Grad ohne Anzeichen von Verschleiß überstehen. Eine solche Haltbarkeit macht sie ideal für den Einsatz in industriellen Anwendungen wie Öfen und Wärmebehandlungsanlagen, bei denen Materialien ständig wiederholt erhitzt und abgekühlt werden.
In chemischen Anlagen und Müllverbrennungsanlagen widerstehen Keramikrohre harten Bedingungen, darunter:
Korrosionsbeständigkeitsstudien bestätigen, dass keramische Abschirmung die Lebensdauer von Sensoren in petrochemischen Anlagen im Vergleich zu polymerbeschichteten Metallmanteln um das 3–5-Fache verlängert.
Keramische Schutzrohre können kontinuierlich Temperaturen von bis zu etwa 1.600 Grad Celsius standhalten, und einige fortschrittliche Verbundversionen wurden laut neueren Studien über Hochtemperaturwerkstoffe sogar über 2.000 Grad getestet. Polymere sind dagegen völlig anders – sie beginnen sich bereits ab etwa 300 Grad aufzulösen. Aluminiumoxid-basierte Keramiken dehnen sich sehr geringfügig aus, tatsächlich linear weniger als 1 Prozent, selbst bei 1.200 Grad Celsius. Dann gibt es noch Zirkonia, das ziemlich beeindruckend ist, da es Temperaturschwankungen von über 500 Grad pro Minute aushält, ohne zu springen. Diese Eigenschaften machen Keramik in extremen Umgebungen so wertvoll, in denen andere Materialien einfach nicht haltbar wären.
Die kovalente Bindung in Keramiken bietet außergewöhnliche Beständigkeit gegen thermische Ermüdung. Siliziumkarbid-Rohre halten mehr als 15.000 Heiz-Kühl-Zyklen zwischen 200 °C und 1.400 °C stand, wobei die bleibende Verformung weniger als 2 % beträgt, wie in Studien zu Materialien für die Kernenergie bestätigt wurde. Diese Langlebigkeit ist entscheidend in Metallwärmebehandlungsöfen, in denen tägliche Temperaturschwankungen oft 800 °C überschreiten.
Bei 1.200 °C dehnen sich Hülsen aus rostfreiem Stahl um 12–15 % aus, während Keramik nur um 0,5–0,8 % expandiert. Keramik weist außerdem plötzliche Ausfallarten wie Verziehen oder Schmelzen, die bei Metallen auftreten, von vornherein aus. Branchendaten zeigen, dass keramikgeschützte Sensoren in Glasgehärtungsanlagen 8–10 Jahre halten, deutlich länger als die mit Metallhülsen geschützten Geräte, die 2–3 Jahre erreichen.
Materialien wie Aluminiumoxid Al2O3 und Zirkonoxid ZrO2 weisen eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen und verschiedenen Lösungsmitteln auf, selbst bei extremen pH-Werten von etwa 0,5 bis hin zu 14. Die außergewöhnliche Haltbarkeit dieser Keramiken beruht darauf, dass sie schützende Oberflächenschichten bilden können, die im Wesentlichen verhindern, dass Ionen wandern und Korrosion verursachen. Dadurch können sie über Jahre hinweg in chemischen Produktionsanlagen einwandfrei funktionieren, wo andere Materialien viel schneller versagen würden. Wenn man stattdessen Metalle betrachtet, halten die meisten Metalle diesen rauen Umgebungen einfach nicht stand. Untersuchungen haben gezeigt, dass viele gängige Metalle bereits nach 300 bis 500 Stunden Belastung durch ähnliche korrosive Bedingungen erste Versagenserscheinungen zeigen. Aus diesem Grund setzen heute zahlreiche industrielle Anwendungen auf keramische Bauteile für kritische Teile, die langfristige Zuverlässigkeit erfordern.
Aktuelle Studien unterstreichen die überlegene Haltbarkeit von keramischen Schutzrohren in industriellen Chemikalien:
| Chemikalienbelastung | Aluminiumoxid (1.000 h) | edelstahl 316 (1.000 h) | Massenverlust (%) |
|---|---|---|---|
| 20 % Schwefelsäure | 0.03 | 12.7 | -98 % gegenüber Metall |
| 50 % Natronlauge | 0.01 | 8.2 | -99 % gegenüber Metall |
| Chlorierte Lösungsmittel | 0.00 | 4.1 | -100 % gegenüber Metall |
Quelle: Zeitschrift für Hochtemperaturwerkstoffe, 2023
Diese Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit von Keramiken, Lochfraßkorrosion und Spannungsrisskorrosion in Umgebungen mit wechselndem pH-Wert und Halogenverbindungen zu widerstehen.
Keramische Schutzrohre funktionieren besonders gut in Glasschmelzöfen, die bei Temperaturen über 1.400 Grad Celsius betrieben werden, da sie sich beim Erhitzen kaum ausdehnen und keine chemischen Reaktionen mit ihrer Umgebung eingehen. Diese Rohre bleiben intakt, selbst wenn sie direkt in geschmolzenes Glas eingetaucht werden, ohne zu zerbrechen oder beschädigt zu werden, wodurch verhindert wird, dass unerwünschte Materialien in das Endprodukt gelangen. Genaue Temperaturmessungen sind entscheidend, um die Viskosität des Glases während der Verarbeitung zu steuern. Bereits geringe Abweichungen von plus oder minus 5 Grad können den Unterschied ausmachen, ob die fertigen Glasprodukte die Qualitätsstandards erfüllen oder aussortiert werden müssen.
Zementöfen setzen Sensoren Temperaturen von 1.450 °C, alkalischen Dämpfen und abrasiven Klinkerpartikeln aus. Aluminiumoxid-Zirkonia-Verbundwerkstoffe bieten unter diesen Bedingungen die dreifache Lebensdauer im Vergleich zu metallischen Alternativen und reduzieren die Wartungshäufigkeit in rotierenden Ofenanlagen. Ihre nicht poröse Struktur verhindert zudem die Ansammlung zementartiger Ablagerungen, die Messwerte verfälschen könnten.
Hochreine Aluminiumoxidrohre gewährleisten dimensionsale Stabilität in Keramikbrennöfen mit Temperaturen von 1.600–1.800 °C, verhindern Drift-Effekte der Sensoren und sorgen über 5.000 Zyklen hinweg für eine Genauigkeit von ±2 °C. In metallischen Wärmebehandlungsöfen widerstehen Keramikrohre Versprödung durch Aufkohlung und Abplatzungen – häufige Ausfallursachen bei metallischen Manteln.
Eine Umfrage aus dem Jahr 2023 unter 200 Industrieanlagen ergab, dass 68 % der Betriebe bei Hochtemperaturanwendungen von metallischen auf keramische Sensorschutzsysteme umsteigen. Wichtige Treiber sind eine um 40–60 % erhöhte mittlere Zeit zwischen Ausfällen sowie die Kompatibilität mit IIoT-Systemen, die stabile, geräuscharme Signale erfordern.
Die meisten industriellen Keramik-Schutzrohre basieren auf Materialien wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder verschiedenen Verbundmischungen, um jenen schwierigen Kompromiss zwischen technischer Leistungsfähigkeit und wirtschaftlicher Sinnhaftigkeit zu erreichen. Die Variante aus 99,5 % reinem Aluminiumoxid bleibt für alltägliche Anwendungen beliebt, da sie aufgrund ihrer Wärmeausdehnung von etwa 8,1 × 10⁻⁶ pro Grad Celsius bei Temperaturschwankungen innerhalb von Öfen besonders stabil ist. Wenn die Bedingungen extrem sind, greifen Hersteller auf Zirkonoxid zurück, das durch eine besondere Eigenschaft namens Phasenumwandlungs-Härtung etwa dreimal besser bruchresistent unter Belastung ist als herkömmliche Keramiken. Für besonders reine Umgebungen, wie sie in der Halbleiterfertigung benötigt werden, bevorzugen viele Unternehmen mittlerweile Siliziumcarbid, das mit Aluminiumoxid gemischt wird, da diese Hybridmaterialien Verunreinigungen wirksamer abhalten als traditionelle Lösungen.
| Eigentum | Aluminiumoxid | Zirkonia |
|---|---|---|
| Härte (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Max. Betriebstemperatur | 1.750 °C | 2.400 °C |
| Wärme-Schock-Beständigkeit | - Einigermaßen | Exzellent |
| Chemische Resistenz | Beständigkeit gegen starke Säuren | Stabilität in alkalischen Lösungen |
Materialanalysen aus 2024 zeigen, dass die Phasenstabilität von Zirkonia oberhalb von 1.100 °C es besser für Kohlekraftwerke geeignet macht, während Aluminiumoxid weiterhin die kostengünstige Wahl für chemische Prozesse unterhalb von 900 °C bleibt.
Forscher, die an fortschrittlichen Materialien arbeiten, haben begonnen, Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Verbundstoffe herzustellen, die mit Selten-Erde-Oxiden gemischt sind. Diese neuen Materialien führen zu Rohren, die über 5.000 thermische Zyklen überstehen können, was eine um rund 70 % bessere Leistung im Vergleich zu derzeit verfügbaren Standardkeramikvarianten darstellt. Ein weiterer Durchbruch ergibt sich aus mit Siliziumnitrid verstärkten Versionen, die eine beeindruckende Korrosionsbeständigkeit von 98 % über den gesamten pH-Bereich von 1 bis 14 aufweisen – ein Aspekt, der bisher insbesondere für Kläranlagen erhebliche Probleme verursachte. Marktvorhersagen zufolge könnten diese Verbundkeramik-Schutzrohre bis Mitte des Jahrzehnts in etwa 35 % der industriellen Sensorenanwendungen weltweit zum Einsatz kommen, wie von Experten auf dem Gebiet der Wärmesystemtechnologien berichtet wird.
EN
