Az ipari szenzoroknak olyan kemény körülmények között is működniük kell, mint például olvadt fém 1750 °C-os hőmérsékleten, vagy vegyipari üzemek belsejében, ahol a körülmények rendkívül intenzívek. Ezeknek a szenzoroknak a védelme érdekében gyakran kerámiacsöveket használnak elsődleges védőrétegként a sérülések ellen. A csöveket általában alumina- vagy cirkónia-kompozit anyagokból készítik, amelyek képesek ellenállni a szélsőséges hőmérsékleteknek lebomlás nélkül, és nem lépnek kémiai reakcióba a legtöbb anyaggal. A kerámiák fémekhez képesti kiemelkedő tulajdonsága az, hogy alakjukat megtartják a számtalan hevítési és hűtési ciklus után is. Ez azt jelenti, hogy a szenzorok mérései kevésbé térnek el, mivel nem tágulnak és húzódnak össze annyira, mint a fémek. A 2023-ban megjelent, az anyagok tartósságáról szóló kutatás szerint, ha rozsdamentes acél hüvelyek helyett kerámiacsöveket használnak, akkor önmagában az üvegolvasztó kemencékben a szenzorcsere-mennyiség körülbelül kétharmadával csökken.
Amikor extrém hőmérséklet-ingadozásokról van szó, a kerámia csövek messze felülmúlják a hagyományos anyagok többségét, különösen akkor, ha olyan gyors változásokról van szó, mint a percről percnyi 200 °C-os vagy annál nagyobb ugrások, amelyek komoly terhelés alá helyezik az alkatrészeket, és repedések kialakulásához vezethetnek. A titok részben a hőtágulási tulajdonságaikban rejlik. Vegyük például az alumínium-kerámiát: ez körülbelül 8,6 mikrométer/méter/fok Celsius hőtágulási együtthatóval rendelkezik, ami lényegesen alacsonyabb, mint a szokásos 316-os rozsdamentes acél 17,3-as értéke. Ez azt jelenti, hogy a kerámia alkatrészek sokkal kevésbé fáradnak el a folyamatos felmelegedéstől és lehűléstől. A kutatások, amelyek hosszú távon vizsgálták ezek anyagok állóságát, különösen lenyűgöző eredményre jutottak a cirkónia alapú csövekkel kapcsolatban. Kiderült, hogy ezek több mint 5000 teljes termikus ciklus során is kiválóan ellenállnak, miközben a hőmérséklet 1200 °C-ról egészen szobahőmérsékletig, 25 °C-ra csökken, anélkül, hogy bármilyen kopás jeleit mutatnák. Ilyen tartósságuk miatt ideális választásnak számítanak ipari alkalmazásokhoz, például kemencékhez és hőkezelő kemencékhez, ahol az anyagokat folyamatosan felmelegítik, majd újra és újra lehűtik.
Kémiai üzemekben és hulladégetőkben a kerámiacsövek ellenállnak a következő kemény körülményeknek:
A korrózióállósági vizsgálatok szerint kerámiavédelem mellett a szenzorok élettartama 3–5-szörösre nő petrokémiai környezetben a polimerrel bevont fémhüvelyekhez képest.
A keramikus védőcsövek folyamatos üzem mellett akár körülbelül 1600 °C-ig is képesek elviselni a hőmérsékletet, és egyes fejlett kompozit változatokat a magas hőmérsékletű anyagokkal kapcsolatos legújabb tanulmányok szerint 2000 °C felett is teszteltek. A polimerek teljesen mások, mivel mintegy 300 °C felett már elkezdenek lebomlani. Az alumínium-oxid alapú kerámiák igen csekély mértékben hőlnek ki, ténylegesen kevesebb, mint 1 százalékkal lineárisan akár 1200 °C-on is. A cirkon pedig különösen lenyűgöző, mivel több, mint 500 °C/perc hőmérsékletváltozást is elvisel repedés nélkül. Ezek a tulajdonságok teszik a kerámiákat olyan értékessé extrém környezetekben, ahol más anyagok egyszerűen nem bírnák ki.
A kerámiák kovalens kötése kiváló ellenállást biztosít a hőfáradással szemben. A szilíciumkarbid csövek több mint 15 000 fűtési-hűtési ciklust bírnak ki 200 °C és 1400 °C között kevesebb, mint 2% maradandó alakváltozással, amit nukleáris energiával kapcsolatos anyagvizsgálatok is igazoltak. Ez a tartósság elengedhetetlen a fémmegmunkáló kemencékben, ahol a napi hőingadozás gyakran meghaladja a 800 °C-ot.
1200 °C-on a rozsdamentes acélból készült hüvelyek 12–15%-kal tágulnak, míg a kerámiák csupán 0,5–0,8%-kal. A kerámiák továbbá elkerülik a fémeknél jellemző hirtelen meghibásodási formákat, mint a torzulás vagy olvadás. A szakmai adatok szerint a kerámiavédelmű érzékelők az üveg edzési vonalain 8–10 évig tartanak, szemben a fémmel védett egységek 2–3 évvel.
Az alumina Al2O3 és a cirkónia ZrO2 olyan anyagok, amelyek kiváló ellenállást mutatnak savakkal, lúgokkal és különféle oldószerekkel szemben akár extrém pH-értékeken is, körülbelül 0,5-től egészen 14-ig. Ezeket a kerámiákat az teszi olyan tartóssá, hogy védő felületi rétegeket képesek kialakítani, amelyek gyakorlatilag megakadályozzák az ionok mozgását és a korróziót. Ez azt jelenti, hogy évekig megbízhatóan működhetnek vegyipari üzemekben, ahol más anyagok jóval hamarabb elromlanának. Ha fémeket vizsgálunk? A legtöbb fém egyszerűen nem alkalmas hosszú távú használatra ilyen durva környezetben. Tesztek kimutatták, hogy számos gyakori fém már 300–500 órás kitettség után is meghibásodás jeleit mutatja hasonló korróziós körülmények között. Ez az oka annak, hogy egyre több ipari alkalmazás támaszkodik kerámia alkatrészekre olyan kritikus elemeknél, amelyek hosszú távú megbízhatóságot igényelnek.
A legújabb tanulmányok kiemelik a kerámiabetétek szuperior tartósságát ipari korróziós környezetben:
| Kémiai hatás | Alumina (1 000 óra) | 316-os rozsdamentes acél (1 000 óra) | Tömegveszteség (%) |
|---|---|---|---|
| 20% kénsav | 0.03 | 12.7 | -98% fémhez képest |
| 50% nátrium-hidroxid | 0.01 | 8.2 | -99% fémhez képest |
| Klórozott oldószerek | 0.00 | 4.1 | -100% fémhez képest |
Forrás: Magas hőmérsékletű anyagok folyóirata, 2023
Ezek az eredmények hangsúlyozzák a kerámiák képességét a pitting- és feszültségkorróziós repedések ellenállására olyan környezetekben, ahol a pH és a halogénvegyületek ingadoznak.
A kerámia védőcsövek kiválóan működnek olyan üvegkohókban, amelyek 1400 °C-nál magasabb hőmérsékleten üzemelnek, mivel rendkívül keveset tágulnak hő hatására, és semmilyen kémiai reakcióba sem lépnek a környezetükkel. Ezek a csövek akkor is épek maradnak, ha közvetlenül az olvadt üvegbe helyezik őket, nem esnek szét vagy sérülnek meg, így megakadályozzák, hogy szennyező anyagok bekerüljenek a végső termékbe. A pontos hőmérsékletmérés nagy jelentőségű az üveg folyósságának vagy sűrűségének szabályozásában feldolgozás közben. Már plusz-mínusz 5 fokos kis változás is döntő lehet abban, hogy az elkészült üvegtermékek megfelelnek-e a minőségi előírásoknak, vagy el kell őket utasítani.
A cementkohók a szenzorokat 1450 °C-os hőmérsékletnek, lúgos gőzöknek és kopó klinkerrészecskéknek teszik ki. Az alumina-cirkónia kompozitok háromszor hosszabb élettartamot nyújtanak fém alternatíváikhoz képest ezen körülmények között, csökkentve így a karbantartás gyakoriságát forgó kohókörnyezetben. Nem porózus szerkezetük továbbá megakadályozza a cementedő anyagok lerakódását, amely torzíthatná a méréseket.
A nagytisztaságú alumina csövek méretstabilitást biztosítanak 1600–1800 °C-ig terjedő hőmérsékletű kerámiagyújtó kemencékben, megelőzve a szenzordriftet, és 5000 cikluson keresztül ±2 °C pontosságot garantálnak. Fémmegmunkáló hőkezelő kemencékben a kerámia csövek ellenállnak karburálódásnak és repedezésnek – ezek gyakori meghibásodási formái a fém hüvelyeknek.
Egy 2023-as, 200 ipari üzemre kiterjedő felmérés szerint a vállalatok 68%-a fémről kerámiára váltott szenzorvédelem tekintetében magas hőmérsékletű alkalmazásoknál. A főbb indokok közé tartozik a hibamentes működés átlagos idejének 40–60%-os növekedése, valamint az olyan IIoT rendszerekkel való kompatibilitás, amelyek stabil, alacsony zajú jeleket igényelnek.
A legtöbb ipari kerámia védőcső alumina, cirkónia vagy különféle kompozitkeverékek anyagaira támaszkodik, hogy megfeleljen a működési hatékonyság és a gazdasági ésszerűség közötti nehéz egyensúlynak. Az 99,5%-os tisztaságú alumina változat továbbra is népszerű mindennapi alkalmazásokban, mivel hőmérséklet-ingadozás esetén is stabil marad a kemencék belsejében köszönhetően hőtágulási együtthatójának, amely körülbelül 8,1 x 10^-6 fokonként. Amikor a körülmények különösen nehézzé válnak, a gyártók a cirkóniához fordulnak, amely valamilyen módon háromszor ellenállóbban viselkedik mechanikai terhelés alatt, mint a hagyományos kerámiák, ezt a jelenséget átalakulási edzésnek nevezik. A félvezetőgyártás számára szükséges rendkívül tiszta környezetekben sok vállalat ma már előnyben részesíti a szilícium-karbid és az alumina keverékét, mivel ezek a hibrid anyagok nem engedik olyan könnyen behatolni a szennyező anyagokat, mint a hagyományos megoldások.
| Ingatlan | Alumínium | Cirkónium |
|---|---|---|
| Keménység (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maximális üzemeltetési hőmérséklet | 1 750 °C | 2 400 °C |
| Hőshock-ellenállás | Mérsékelt | Kiváló |
| Vegyianyag-álló | Erős savakkal szembeni ellenállás | Lúgos oldatokkal szembeni stabilitás |
A 2024-es anyagvizsgálatok azt mutatják, hogy a cirkónia fázisstabilitása 1 100 °C felett ideálissá teszi a lignitüzemű erőművekhez, míg az alumínium-oxid gazdaságosabb választás 900 °C alatti kémiai feldolgozáshoz.
Az előrehaladott anyagokon dolgozó kutatók elkezdték alumina-cirkónia kompozitok előállítását ritkaföldfém-oxidokkal keverve. Ezek az új anyagok olyan csövek kialakítását teszik lehetővé, amelyek több mint 5000 hőciklust bírnak ki, ami körülbelül 70%-os javulást jelent a jelenleg elérhető szabványos kerámia megoldásokhoz képest. Egy másik áttörés a szilícium-nitriddel megerősített változatokból származik, amelyek lenyűgöző 98%-os ellenállást mutatnak a teljes pH-skálán (1-től 14-ig) a korróziiakkal szemben, ami korábban kifejezetten a szennyvíztisztító létesítmények számára jelentett jelentős problémát. A piaci előrejelzések szerint ezek a kompozit kerámiabetétek kb. 35%-os részesedést szerezhetnek az ipari érzékelőalkalmazások körében világszerte a tízévtized közepére, ahogyan a hőtechnikai rendszerek szakértői jelentették.
EN
