Teollisuuden antureiden on toimittava melko kovissa olosuhteissa. Ajattele sulaa metallia noin 1750 asteen lämpötilassa tai kemiallisten tuotantolaitosten sisällä, missä asiat muuttuvat todella voimakkaiksi. Näiden antureiden suojaamiseksi keramiikkatuboja käytetään usein pääsuojana vahingoilta. Nämä putket on valmistettu alumiini- tai sirkoniumkomposittimateriaaleista, jotka kestävät äärimmäistä lämpöä hajoamatta eivätkä reagoi kemiallisesti useimpiin aineisiin. Keramiikka erottaa metallien verrattuna siitä, että se pystyy säilyttämään muotonsa lukemattomien lämmitys- ja jäähdytyskiertojen jälkeenkin. Tämä tarkoittaa vähemmän ajamista antureiden lukemuksissa, koska ne eivät laajenna ja supistu niin paljon kuin metalli. Vuonna 2023 julkaistun materiaalien kestävyyttä koskevan tutkimuksen mukaan ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kuormien vaihtaminen keraamisille putkille vähentää anturien korvaamista noin kahdella kolmasosalla pelkästään lasisäiliöissä.
Kun on kyse äärimmäisten lämpötilan vaihteluiden hallinnasta, keraamiset putket suoriutuvat selvästi paremmin kuin useimmat perinteiset materiaalit, erityisesti nopeissa muutoksissa, joissa lämpötila vaihtelee 200 astetta Celsius-astetta minuutissa tai enemmän, ja jotka todella rasittavat komponentteja ja johtavat halkeamiin. Salaisuus piilee osittain niiden lämpölaajenemisominaisuuksissa. Otetaan esimerkiksi alumiinikeraaminen materiaali, joka laajenee noin 8,6 mikrometriä metriä kohti asteessa Celsius, huomattavasti alhaisempi kuin tavallisen 316-haponkestävän teräksen 17,3. Tämä tarkoittaa, että keraamiset osat eivät väsy yhtä paljon toistuvasta lämpenemisestä ja viilenty misestä. Tutkimukset, jotka ovat arvioineet näiden materiaalien kestävyyttä pitkällä aikavälillä, ovat löytäneet melko vaikuttavaa tietoa erityisesti zirkonia-pohjaisista putkista. Niiden on osoitettu selviytyvän yli 5 000 täydestä lämpötilasyklistä, jotka vaihtelevat kuumasta 1 200 asteesta huoneenlämpötilaan 25 astetta ilman kulumisen merkkejä. Tällainen kestävyys tekee niistä erinomaisia vaihtoehtoja teollisiin sovelluksiin, kuten uuneihin ja lämpökäsittelyuuniin, joissa esineitä lämmitetään ja jäähdytetään jatkuvasti uudelleen ja uudelleen.
Kemikaalitehtaiden ja jätteenpolttolaitosten olosuhteissa keraamiset putket kestävät kovia olosuhteita, kuten:
Korroosion kestävyyttä koskevat tutkimukset vahvistavat, että keraaminen suojaus pidentää anturien käyttöikää 3–5 kertaa verrattuna polymeeripeitteisiin metallikuoriin petrokemiallisissa olosuhteissa.
Keramiikkasuojaputket kestävät jatkuvaa käyttöä lämpötiloissa jopa noin 1 600 astetta Celsius-asteikolla, ja joitakin edistyneitä komposiittiversioita on testattu yli 2 000 asteeseen viimeaikaisten tutkimusten mukaan korkeissa lämpötiloissa kestävistä materiaaleista. Polymeerit taas ovat täysin erilaisia, sillä ne alkavat hajota, kun lämpötila nousee yli noin 300 asteen. Aluminioksidipohjaiset keramiikat laajenevat hyvin vähän – itse asiassa alle 1 prosenttia lineaarisesti, jopa 1 200 asteessa Celsius-asteikolla. Sitten on vielä tsirkonia, joka on melko mahtava, koska se kestää yli 500 asteen lämpötilan muutoksia minuutissa halkeamatta. Nämä ominaisuudet tekevät keramiikoista niin arvokkaita ääriolosuhteissa, joissa muut materiaalit eivät yksinkertaisesti kestäisi.
Keraamisten materiaalien kovalenttisidokset tarjoavat poikkeuksellisen hyvän kestävyyden lämpöväsymiselle. Piikarbidiputket kestävät yli 15 000 lämmitys-ja jäähdytyskierrosta välillä 200 °C ja 1 400 °C vähemmän kuin 2 %:n pysyvässä muodonmuutoksessa, mikä on varmistettu ydinenergiamateriaalitutkimuksissa. Tämä kestävyys on olennaisen tärkeää metallien lämpökäsittelyuuneissa, joissa päivittäiset lämpötilavaihtelut ylittävät usein 800 °C.
1 200 °C:ssa ruostumattomat teräskuoret laajenevat 12–15 %, kun taas keraamiikka laajenee vain 0,5–0,8 %. Keraamiset materiaalit myös välttävät metalleissa esiintyvät yhtäkkiset vauriomoodit, kuten kiertyminen tai sulaminen. Teollisuuden tiedot osoittavat, että lasin temppausriveissä keraamilla suojatut anturit kestävät 8–10 vuotta, mikä on merkittävästi pidempi aika kuin metallisuojausten saamat 2–3 vuotta.
Materiaalit, kuten alumiinioksidi Al2O3 ja zirkonia ZrO2, osoittavat erinomaista kestävyyttä happojen, emästen ja muiden liuottimien edessä jopa ääriarvoisissa pH-tasoissa noin 0,5:sta aina 14:ään asti. Nämä keraamiset materiaalit ovat niin kestäviä, koska ne pystyvät muodostamaan suojapeitteitä, jotka estävät ionien liikkumisen ja siten myös korroosion. Tämä tarkoittaa, että ne voivat toimia moitteettomasti vuosikausia kemiallisissa prosessilaitoksissa, joissa monet muut materiaalit hajoaisivat huomattavasti nopeammin. Entäpä metallivalinnat? Useimmat metallit eivät yksinkertaisesti ole riittävän kestäviä näissä ankarissa olosuhteissa. Testit ovat osoittaneet, että monet yleiset metallit alkavat osoittaa vaurioitumisen merkkejä jo 300–500 tunnin altistumisen jälkeen samankaltaisille syövyttäville olosuhteille. Siksi monet teollisuuden sovellukset luottavat nykyään keraamisiin komponentteihin silloin, kun pitkäaikainen luotettavuus on välttämätöntä.
Uusimmat tutkimukset korostavat keraamisten suojaputkien ylivoimaista kestävyyttä teollisissa syövyttävissä aineissa:
| Kemiallinen altistuminen | Alumiinioksidi (1 000 h) | 316 ruostumaton teräs (1 000 h) | Massahäviö (%) |
|---|---|---|---|
| 20 % rikkihappo | 0.03 | 12.7 | -98 % verrattuna metalliin |
| 50 % natriumhydroksidi | 0.01 | 8.2 | -99 % verrattuna metalliin |
| Klooratuut liuottimet | 0.00 | 4.1 | -100 % verrattuna metalliin |
Lähde: Korkean lämpötilan materiaalit -lehti, 2023
Nämä tulokset korostavat keraamisten materiaalien kykyä vastustaa kuoppaantumista ja jännityskorroosiomurtumia vaihtelevassa pH:ssa ja halygeniyhdisteiden läsnä ollessa olevissa ympäristöissä.
Keraamiset suojaputket toimivat erittäin hyvin lasiuuneissa, jotka toimivat yli 1 400 asteen Celsiusasteissa, koska ne laajenevat hyvin vähän lämpennessään eivätkä kemiallisesti reagoi ympäröivien aineiden kanssa. Nämä putket säilyvät ehjinä, vaikka ne asetettaisiin suoraan sulaseen lasiin rikkoutumatta tai vahingoittumatta, mikä estää epätoivottujen aineiden sekoittumisen lopputuotteeseen. Tarkat lämpötilamittaukset ovat erittäin tärkeitä lasin virtaus- tai viskositeetin hallinnassa prosessoinnin aikana. Jo pienet muutokset, plus- tai miinus 5 astetta, voivat merkitä kaikki eroa siinä, täyttävätkö valmiit lasituotteet laatustandardit vai hylätäänkö ne.
Sementtiuunit altistavat anturit 1 450 °C:n lämpötiloille, emäksisille höyryille ja koville klinkkiriippuilulle. Alumiini-zyrkonia-seokkeilla on kolminkertainen käyttöikä metallivaihtoehtoihin verrattuna näissä olosuhteissa, mikä vähentää huoltovälejä pyörivissä uunimaisissa ympäristöissä. Niiden ei-muovautuva rakenne estää myös sementtimaisen muodostuman kertymisen, joka voisi vääristää mittaustuloksia.
Korkean puhtauden alumiiniputket säilyttävät muottivakautensa keraamisten polttouunien ympäristöissä, joissa lämpötilat nousevat 1 600–1 800 °C:seen, estäen anturin hajaantumisen ja takaen ±2 °C tarkkuuden yli 5 000 syklin ajan. Metallien lämpökäsittelyuuneissa keraamiset putket kestävät karbonoitumista ja kuorintaa – yleisiä vikaantumismuotoja metallisuojuksille.
Vuoden 2023 kysely 200 teollisuuslaitoksesta paljasti, että 68 % on siirtymässä metallisten suojien käytöstä keramiikkasuojaan korkean lämmön sovelluksissa. Tärkeimmät tekijät ovat keskimääräisen vioittumisväliajan pidentyminen 40–60 % ja yhteensopivuus IIoT-järjestelmien kanssa, jotka vaativat stabiileja, alhaisen kohinan signaaleja.
Useimmat teollisuuden keraamiset suojaputket perustuvat materiaaleihin, kuten alumiinioksidiin, zirkoniaan tai erilaisiin komposiittiseoksiin, joilla saavutetaan vaikea tasapaino toimivuuden ja taloudellisen kannattavuuden välillä. 99,5 %:n puhdas alumiinioksidi on edelleen suosittu arkihavaintoihin sen ansiosta, että se säilyttää vakautensa lämpötilan vaihdellessa uuneissa noin 8,1 x 10^-6 per celsiusasteen lämpölaajenemiskertoimen ansiosta. Kun olosuhteet muuttuvat erityisen rajuiksi, valmistajat siirtyvät käyttämään zirkoniaa, joka jostain syystä kestää jopa kolme kertaa paremmin murtumista rasituksen alla erityisen ominaisuutensa – transformaatiotougheningin – ansiosta. Niissä erittäin puhtaisissa ympäristöissä, joita vaaditaan puolijohdevalmistuslinjoilla, monet yritykset suosivat nykyään alumiinioksidin kanssa sekoitettua silikonikarbidia, koska nämä hybridimateriaalit eivät anna epäpuhtauksien lipsua läpi yhtä helposti kuin perinteiset vaihtoehdot.
| Omaisuus | Alumini | Hesperiitti |
|---|---|---|
| Kovuus (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maksimikäyttölämpötila | 1 750 °C | 2 400 °C |
| Lämpöshokin kestävyys | Kohtalainen | Erinomainen |
| Kemikaalivastaisuus | Vahvan hapon kestävyys | Emäksisen liuoksen stabiilius |
Materiaalianalyysit vuodelta 2024 osoittavat, että zirkonian faasivakaus yli 1 100 °C:ssa tekee siitä sopivamman valinnan hiilivoimaloissa, kun taas alumiinioksidi säilyy taloudellisena vaihtoehtona kemiallisessa käsittelyssä alle 900 °C:ssa.
Edistyneillä materiaaleilla työskentelevät tutkijat ovat alkaneet valmistaa alumiini- ja zirkonia-seoksia, jotka on sekoitettu harvinaisten maametallien oksideihin. Nämä uudet materiaalit tuottavat putket, jotka kestävät yli 5 000 lämpöjaksoa, mikä tarkoittaa noin 70 % parempaa suorituskykyä verrattuna tällä hetkellä saataviin vakiovaihtoehtoihin. Toisen läpimurron ovat muodostaneet vahvistetut silikoniinitridiversiot, joilla on vaikuttava 98 %:n korroosionkesto koko pH-alueella 1–14, mikä aiemmin aiheutti merkittäviä ongelmia erityisesti jätevedenpuhdistamoille. Markkinaprognosoosit viittaavat siihen, että nämä komposiittipohjaiset keraamiset suojaputket saattavat vallata noin 35 %:n osuuden teollisista anturisovelluksista maailmanlaajuisesti vuosien 2025 tienoilla, kuten lämpöjärjestelmien teknologiaan erikoistuneet asiantuntijat raportoivat.
EN
