سنسورهای صنعتی باید در شرایط بسیار سختی کار کنند، مثلاً در مجاورت فلزات مذاب با دمای حدود ۱۷۵۰ درجه سانتیگراد یا درون کارخانههای فرآوری شیمیایی که شرایط بسیار شدید است. برای محافظت از این سنسورها، اغلب از لولههای سرامیکی به عنوان سپر اصلی در برابر آسیب استفاده میشود. این لولهها معمولاً از موادی مانند ترکیبات آلومینا یا زیرکونیا ساخته میشوند که میتوانند حرارت شدید را بدون تجزیه تحمل کنند و با اکثر مواد واکنش شیمیایی نشان نمیدهند. چیزی که سرامیکها را در مقایسه با فلزات متمایز میکند، توانایی حفظ شکل خود حتی پس از تعداد بیشماری چرخه گرمایش و سرد شدن است. این بدین معناست که انحراف در خواندنهای سنسور کمتر میشود، چون سنسورها به اندازه فلز منبسط و منقبض نمیشوند. طبق تحقیقات اخیر منتشر شده در سال ۲۰۲۳ در مورد دوام مواد، جایگزینی غلافهای فولاد ضدزنگ با لولههای سرامیکی به تنهایی منجر به کاهش دو سومی تعویض سنسورها در کورههای شیشهسازی شده است.
در مواجهه با نوسانات شدید دما، لولههای سرامیکی بهراحتی از بیشتر مواد متداول پیشی میگیرند، بهویژه در شرایطی که تغییرات سریع دمایی به میزان ۲۰۰ درجه سانتیگراد یا بیشتر در هر دقیقه رخ میدهد و قطعات تحت تنش قرار گرفته و منجر به ایجاد ترک میشوند. رمز موفقیت آنها تا حدی در خواص انبساط حرارتیشان نیز نهفته است. به عنوان مثال، سرامیک آلومینایی (alumina ceramics) با نرخ حدود ۸٫۶ میکرومتر بر متر بر درجه سانتیگراد منبسط میشود که بسیار کمتر از رقم ۱۷٫۳ در فولاد ضدزنگ استاندارد ۳۱۶ است. این بدین معناست که قطعات سرامیکی بهدلیل تغییرات مکرر دمایی کمتر دچار خستگی میشوند. مطالعاتی که به بررسی مقاومت این مواد در طول زمان پرداختهاند، یافتههای قابل توجهی درباره لولههای مبتنی بر زیرکونیا (zirconia based tubes) ارائه کردهاند. مشخص شده است که این لولهها قادرند بیش از ۵۰۰۰ چرخه حرارتی کامل از دمای بسیار بالای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد تا دمای محیط ۲۵ درجه سانتیگراد را بدون هیچ نشانهای از فرسودگی تحمل کنند. این سطح از دوام، آنها را به گزینههای ایدهآلی برای استفاده در محیطهای صنعتی مانند کورهها و فرآیندهای عملیات حرارتی تبدیل میکند که در آنها مواد مدام گرم و سپس دوباره سرد میشوند.
در کارخانههای شیمیایی و کورههای احتراق پسماند، لولههای سرامیکی در برابر شرایط سخت از جمله:
مطالعات مقاومت در برابر خوردگی تأیید میکنند که حفاظت سرامیکی عمر سنسورها را در محیطهای پتروشیمی به میزان ۳ تا ۵ برابر نسبت به غلافهای فلزی با پوشش پلیمری افزایش میدهد.
لولههای محافظ سرامیکی میتوانند دماهایی تا حدود ۱,۶۰۰ درجه سانتیگراد را بهصورت مداوم تحمل کنند و برخی از نسخههای پیشرفته کامپوزیتی طبق مطالعات اخیر روی مواد با دمای بالا، حتی بیش از ۲,۰۰۰ درجه تست شدهاند. پلیمرها کاملاً متفاوت هستند و در دماهای بالای حدود ۳۰۰ درجه شروع به تجزیه میکنند. سرامیکهای مبتنی بر آلومینا بسیار کم منبسط میشوند — در واقع کمتر از ۱ درصد انبساط خطی حتی در دمای ۱,۲۰۰ درجه سانتیگراد. و سپس زیرکونیا وجود دارد که بسیار شگفتانگیز است، چرا که میتواند تغییرات حرارتی بیش از ۵۰۰ درجه در دقیقه را بدون ترک خوردن تحمل کند. این ویژگیها باعث میشوند سرامیکها در محیطهای شدید ارزش بسیار بالایی داشته باشند جایی که سایر مواد بهسادگی دوام نمیآورند.
پیوند کووالنت در سرامیکها مقاومت استثنایی در برابر خستگی حرارتی فراهم میکند. لولههای کاربید سیلیسیم در مطالعات مواد انرژی هستهای بهطور تأییدشده بیش از ۱۵٬۰۰۰ چرخه گرمایش-سرمایش بین ۲۰۰ درجه سانتیگراد و ۱٬۴۰۰ درجه سانتیگراد را با تغییر شکل دائمی کمتر از ۲٪ تحمل میکنند. این دوام در کورههای عملیات حرارتی فلزات ضروری است، جایی که نوسانات روزانه اغلب بیش از ۸۰۰ درجه سانتیگراد است.
در دمای ۱٬۲۰۰ درجه سانتیگراد، غلافهای فولاد ضدزنگ ۱۲ تا ۱۵ درصد منبسط میشوند، در حالی که سرامیکها تنها ۰٫۵ تا ۰٫۸ درصد انبساط دارند. سرامیکها همچنین از حالتهای ناگهانی خرابی مانند پیچشدگی یا ذوب شدن که در فلزات دیده میشود، اجتناب میکنند. دادههای صنعتی نشان میدهد که سنسورهای محافظتشده با سرامیک در خطوط تمپر شیشه بین ۸ تا ۱۰ سال دوام دارند که بهمراتب بیشتر از ۲ تا ۳ سال عمر واحدهای محافظتشده با فلز است.
موادی مانند آلومینا Al2O3 و زیرکونیا ZrO2 در برابر اسیدها، بازها و حلالهای مختلف، حتی در سطوح بسیار شدید pH از حدود 0.5 تا 14 مقاومت قابل توجهی نشان میدهند. آنچه این سرامیکها را بسیار بادوام میکند، توانایی آنها در ایجاد لایههای سطحی محافظ است که عملاً حرکت یونها و ایجاد خوردگی را متوقف میکند. این بدین معناست که این مواد میتوانند به مدت سالها در تأسیسات فرآوری شیمیایی به درستی کار کنند، جایی که سایر مواد بسیار زودتر از بین میروند. اما اگر به دنبال گزینههای فلزی باشید، باید گفت که اکثر فلزها برای تحمل در این محیطهای سخت طراحی نشدهاند. آزمایشها نشان دادهاند که بسیاری از فلزهای رایج پس از تنها 300 تا 500 ساعت قرار گرفتن در معرض شرایط خورنده مشابه، علائم خرابی را نشان میدهند. به همین دلیل است که امروزه بسیاری از کاربردهای صنعتی به سرامیکها واجب اطمینان برای قطعات حیاتی که نیاز به قابلیت اطمینان بلندمدت دارند، متکی هستند.
مطالعات اخیر استحکام بهتر لولههای محافظ سرامیکی در برابر مواد خورنده صنعتی را نشان میدهند:
| معرض مواد شیمیایی | آلومینا (۱,۰۰۰ ساعت) | فولاد ضدزنگ ۳۱۶ (۱,۰۰۰ ساعت) | تلفات جرمی (%) |
|---|---|---|---|
| اسید سولفوریک ۲۰٪ | 0.03 | 12.7 | -۹۸٪ در مقابل فلز |
| سدیم هیدروکسید ۵۰٪ | 0.01 | 8.2 | -۹۹٪ در مقابل فلز |
| حلالهای کلردار | 0.00 | 4.1 | -۱۰۰٪ در مقابل فلز |
منبع: مجله مواد دمای بالا، 2023
این نتایج توانایی سرامیکها در مقاومت در برابر خوردگی نقطهای و ترکخوردگی ناشی از تنش در محیطهایی با pH متغیر و ترکیبات هالوژنی را برجسته میکند.
لولههای محافظ سرامیکی در کورههای شیشهسازی که دمایی بالاتر از ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد دارند، عملکرد بسیار خوبی دارند، زیرا هنگام گرم شدن بهندرت منبسط میشوند و با مواد اطراف خود واکنش شیمیایی ندارند. این لولهها حتی زمانی که مستقیماً درون شیشه مذاب قرار میگیرند نیز سالم باقی میمانند و ترک نمیخورند یا آسیب نمیبینند، که این امر جلوی اختلاط مواد ناخواسته به محصول نهایی را میگیرد. دقت در اندازهگیری دما برای کنترل ویسکوزیته یا غلظت شیشه در حین فرآیند تولید بسیار مهم است. حتی تغییرات کوچک به میزان ۵ درجه سانتیگراد بهصورت مثبت یا منفی میتواند تعیینکننده باشد که آیا محصول نهایی شیشهای معیارهای کیفی را دارد یا باید دور انداخته شود.
کورههای سیمان سنسورها را در معرض دمای 1,450°C، بخارات قلیایی و ذرات ساینده کلینکر قرار میدهند. ترکیبات آلومینا-زیرکونیا در این شرایط عمر مفیدی سه برابر گزینههای فلزی ارائه میدهند و فرآیند نگهداری را در محیطهای کوره دوار کاهش میدهند. ساختار غیرمتخلخل آنها همچنین از تجمع رسوبات سیمانی که میتواند خوانشها را تحریف کند جلوگیری میکند.
لولههای آلومینا با خلوص بالا در کورههای پخت سرامیک که به دمای 1,600–1,800°C میرسند، پایداری ابعادی را حفظ میکنند، از انحراف سنسور جلوگیری میکنند و دقت ±2°C را در طول 5,000 سیکل تضمین میکنند. در کورههای عملیات حرارتی فلزات، لولههای سرامیکی در برابر کربوراسیون و پوستهشدن مقاوم هستند—دو عیب شایع در غلافهای فلزی.
یک نظرسنجی در سال 2023 از 200 واحد صنعتی نشان داد که 68٪ از واحدها در حال انتقال از محافظت حسگر فلزی به محافظت سرامیکی در کاربردهای با دمای بالا هستند. عوامل کلیدی این تغییر شامل افزایش 40 تا 60 درصدی میانگین زمان بین خرابیها و سازگاری با سیستمهای IIoT است که به سیگنالهای پایدار و کمنویز نیاز دارند.
اکثر لولههای محافظ سرامیکی صنعتی به موادی مانند آلومینا، زیرکونیا یا ترکیبات مختلف مخلوط متکی هستند تا تعادل دشوار بین کارایی و از نظر مالی منطقی بودن را حفظ کنند. نوع ۹۹٫۵ درصد خالص آلومینا به دلیل پایداری خوب آن در شرایط نوسان دمایی داخل کورهها — با توجه به ضریب انبساط حرارتی حدود ۸٫۱ × ۱۰⁻⁶ بر سلسیوس — برای کاربردهای روزمره محبوب است. وقتی شرایط بسیار سخت میشود، تولیدکنندگان به زیرکونیا روی میآورند که به نحوی مقاومت در برابر شکست تحت تنش را تقریباً سه برابر بهتر از سرامیکهای معمولی فراهم میکند، و این امر از طریق خاصیتی به نام سختکردن تبدیلی اتفاق میافتد. برای محیطهای فوقالعاده تمیز مورد نیاز در خطوط تولید نیمههادی، بسیاری از شرکتها اکنون ترجیح میدهند که کاربید سیلیسیم را با آلومینا مخلوط کنند، زیرا این مواد ترکیبی به راحتی اجازه نمیدهند آلایندهها به داخل نفوذ کنند، برخلاف گزینههای سنتی.
| اموال | آلومینا | سیرکونیا |
|---|---|---|
| سختی (ویکرز) | ۱۵–۱۹ GPa | 12 GPa |
| حداکثر دمای کارکرد | 1,750°C | 2,400°C |
| مقاومت در برابر شوک حرارتی | متوسط | عالی |
| مقاومت در برابر مواد شیمیایی | تحمل اسیدهای قوی | پایداری در برابر محلولهای قلیایی |
تحلیل مواد از سال 2024 نشان میدهد که پایداری فاز زیرکونیا در دمای بالاتر از 1,100°C آن را به گزینه مناسبتری برای نیروگاههای حرارتی زغالسنگی تبدیل میکند، در حالی که آلومینا همچنان گزینه اقتصادیتری برای فرآیندهای شیمیایی در دمای پایینتر از 900°C است.
محققانی که بر روی مواد پیشرفته کار میکنند، شروع به تولید ترکیبات آلومینا-زیرکونیا همراه با اکسیدهای خاکی نادر کردهاند. این مواد جدید، لولههایی را ایجاد میکنند که قادر به تحمل بیش از ۵۰۰۰ چرخه حرارتی هستند؛ رقمی که حدود ۷۰ درصد بهتر از عملکرد گزینههای سرامیکی معمولی موجود است. دستاورد دیگری نیز از نسخههای تقویتشده با نیترید سیلیسیوم حاصل شده که در تمام طیف pH از ۱ تا ۱۴ مقاومت ۹۸ درصدی قابل توجهی در برابر خوردگی نشان میدهد؛ چیزی که قبلاً مشکلات بزرگی را بهویژه برای تأسیسات تصفیه فاضلاب ایجاد میکرد. پیشبینیهای بازار نشان میدهد که این لولههای محافظ سرامیکی ترکیبی تا میان دهه حاضر در حدود ۳۵ درصد از کاربردهای حسگر صنعتی در سراسر جهان جایگاه پیدا کنند، همانطور که توسط متخصصان فناوریهای سیستمهای حرارتی گزارش شده است.
EN
