חיישנים תעשייתיים צריכים לעבוד בתנאים קשים למדי, נחשוב על מתכת מותכת בטמפרטורות של כ-1750 מעלות צלזיוס או בתוך מפעלים לעיבוד כימי כדי להגן על חיישנים אלה, צינורות קרמיק משמשים לעתים קרובות כמגן ראשי מפני נזק. צינורות אלה עשויים בדרך כלל מחומרים כמו אלומינה או זירקוניה מורכבים שיכולים להתמודד עם חום קיצוני ללא התפרקות ולא יתגבשו כימית עם רוב החומרים. מה שמבדיל את הסרמיקה מתכות היא יכולתה לשמור על צורתה גם לאחר שעברה מחזורי חימום וקירור אינספור. זה אומר פחות סחף בקריאות החיישנים כי הם לא מתרחבים ומתכווצים כמו מתכת. על פי מחקר שנכתב לאחרונה ב-2023 על עמידות החומרים, המעבר ממכסות פלדה לא מדודה לצינורות קרמיות מוריד את החלפת החיישנים בכ-2/3 באבות זכוכית בלבד.
כשמדובר בניסיון להתמודד עם תנודות טמפרטורה קיצוניות, צינורות קרמיים מנצחים בקלות את רוב החומרים המסורתיים, במיוחד כשמדובר בשינויים מהירים של 200 מעלות צלזיוס לדקה או יותר, שמוותרים מאוד על הרכיבים ומובילים ל образования של סדקים. הסוד נמצא חלקית בתכונות ההתפשטות התרמית שלהם. קחו לדוגמה קרמיקה אלומינה – הם מתרחבים בכ-8.6 מיקרומטר למטר ולמעלה אחת, בהשוואה ל-17.3 שנראה בפלדת אל חלד סטנדרטית מסוג 316. זה אומר שחלקי קרמיקה פשוט לא מתעייפים באותה מידה מהתחממות וקירור חוזרות ונשנות. מחקרים שנבדקו כיצד החומרים הללו עומדים לאורך זמן מצאו משהו מרשים במיוחד בצינורות מבוססי זירקוניה. התברר שהם מסוגלים לשרוד מעל 5,000 מחזורי חום שלמים, מהחום השורף של 1,200 מעלות עד לטמפרטורת החדר של 25 מעלות, מבלי להראות כל סימן של שחיקה. עמידות כזו הופכת אותם למועמדים מושלמים לשימוש בסביבות תעשייתיות כמו תנורים וכבשנים לטיפול בחום, שבהם חומרים נחשפים שוב ושוב למחזורי חימום וקירור.
במפעלי כימיקלים ובמכותלות פסולת, צינורות קרמיים עמידים בתנאים קיצוניים הכוללים:
מחקרי עמידות בשימום מאשרים שהגנה קרמית מאריכה את חיי החיישן פי 3–5 בסביבות פטroleum כימיות, בהשוואה לערכות מתכת מכוסות פולימר.
צינורות הגנה קרמיים יכולים לעמוד בטמפרטורות שגובעות עד כ-1,600 מעלות צלזיוס כאשר הם פועלים באופן רציף, וכמה גרסאות מתקדמות של חומרים מרוכבים נבדקו גם מעבר ל-2,000 מעלות לפי מחקרים אחרונים על חומרים לטמפרטורות גבוהות. פולימרים שונים לגמרי – הם מתחילים להתפרק כאשר הטמפרטורה עולות על כ-300 מעלות. קרמיקה מבוססת אלומינה מתרחבת במידה מזערית, למעשה פחות מ-1 אחוז ליניארי אפילו ב-1,200 מעלות צלזיוס. ואז יש את הזירקוניה שהיא די מדהימה מכיוון שהיא יכולה לשאת שינויים תרמיים של יותר מ-500 מעלות לדקה מבלי להישבר. תכונות אלו הופכות את הקרמיקה לערך גדול בסביבות קיצוניות שבהן חומרים אחרים פשוט לא יחזיקו מעמד.
הקשר הקוולנטי בחומרים קרמיים מספק עמידות יוצאת דופן לעייפות תרמית. צינורות סיליקון קרביד עמידים ביותר מ-15,000 מחזורי חימום-קירור בין 200°C ל-1,400°C עם פחות מ-2% של התעortion קבוע, כפי שנבדק במחקרים על חומרים לאנרגיה גרעינית. עמידות זו חיונית בתנורי טיפול حراري של מתכות, שבהם תנודות יומיות לעתים קרובות עולות על 800°C.
ב-1,200°C, שרוולים מפלדת אל חלד מתרחבים ב-12–15%, בעוד שקרוויות מתרחבות רק ב-0.5–0.8%. קרמיקה גם נמנעת מתקלות פתאומיות כמו הטעיה או התכה הנראות במתכות. נתוני תעשייה מראים שחישנים محمים בקרמיקה בקווי טמפרת זכוכית עמידים 8–10 שנים, מה שגדול בצורה משמעותית משנתיים עד שלוש שנ logeUnits עם יחידות מוגנות במתכת.
חומרים כגון אלומינה Al2O3 וצירקוניה ZrO2 מציגים עמידות יוצאת דופן לחומצות, לבסיסים ולממסים שונים גם ברמות pH קיצוניות, החל מ-0.5 ועד 14. הסיבה לשכבות הגנת שיצורים חומרים קרמיים אלה היא היכולת שלהם ליצור שכבות משטח מגנות שמונעות תנועה של יונים שגורמות לקלקול. משמעות הדבר היא שהם יכולים להמשיך לפעול כראוי במשך שנים במתקני עיבוד כימיים, שבהם חומרים אחרים יתקלקלו הרבה יותר מהר. אם מביטים באפשרויות מתכת? ובכן, רוב המתכות אינן בנויות להחזיק לאורך זמן בסביבות הקשות הללו. ניסויים הראו שרבות מהמתכות הנפוצות מתחילות להראות סימני כשל לאחר חשיפה של 300 עד 500 שעות בלבד לתנאים קורוזיביים דומים. לכן, כל כך הרבה יישומים תעשייתיים מסתמכים כיום על רכיבים קרמיים עבור חלקים קריטיים הדורשים אמינות ארוכת טווח.
מחקרים חדשים מדגישים את עמידותם העליונה של צינורות הגנה קרמיים בחומרים קורוזיים תעשייתיים:
| חשיפה לקימיקלים | אלומינה (1,000 שעות) | 316 פלדה לא מסובכת (1,000 שעות) | אובדן מסה (%) |
|---|---|---|---|
| 20% חומצה גופרית | 0.03 | 12.7 | -98% לעומת מתכת |
| 50% מיקרו חמצן נתרן | 0.01 | 8.2 | -99% מול מתכת |
| ממסים כלורניים | 0.00 | 4.1 | -100% מול מתכת. |
מקור: מגזין חומרים בטמפרטורה גבוהה, 2023
תוצאות אלו מדגישות את היכולת של חומרי קרמיקה לעמוד בפני נקבוביות וסדקים משחת מאמצים בסביבות עם pH משתנה ותרכובות חלוגן.
צינורות 보ג'נישם קרמיים פועלים היטב מאוד בכורות זכוכית שפועלות מעל 1,400 מעלות צלזיוס, מכיוון שהם מתרחבים במידה מינימלית כאשר מחוממים ולא מגיבים מבחינה כימית עם כל חומר שבסביבתם. הצינורות הללו נשארים שלמים גם כאשר מכניסים אותם ישירות לזכוכית נוזלית, מבלי להתפרקות או נזק, ובכך מונעים מהיכנס חומרים לא רצויים למוצר הסופי. קבלת קריאות טמפרטורה מדויקות היא חשובה ביותר לצורך בקרת ריחות או עובי של הזכוכית במהלך העיבוד. גם שינויים קטנים של פלוס או מינוס 5 מעלות יכולים להוות את ההבדל בין אם מוצר הזכוכית הסופי יעמוד בדרישות איכות או יידחה.
כורות סימן מחשפים חיישנים לטמפרטורות של 1,450° צלזיוס, אדים אלקליניים וחלקיקי קלינקר קשוחים. תערובות של אלומינה-זירקוניה מציעות משך חיים ארוך פי שלושה מהחלופות המתכתיות בתנאים אלו, ובכך מקטינות את תדירות התחזוקה בסביבות כור מסתובב. המבנה הלא נקבובי שלהם גם מונע הצטברות של שיקועים סימנטים שעלולים לעוות מדידות.
צינורות אלומינה טהורה שומרים על יציבות ממדים בכורות ירי קרמיקה שמשיגות טמפרטורות של 1,600–1,800° צלזיוס, ומונעים סטיית חיישן ומבטיחים דיוק של ±2° צלזיוס לאורך 5,000 מחזורים. בכורות טיפול בחום של מתכות, צינורות קרמיים עמידים בפני כרבורציה ושחלה – מצבים נפוצים של כשל במעטפות מתכתיות.
סקר משנת 2023 של 200 מפעלים תעשייתיים העלה כי 68% מהם עוברים מגינון מתכתי לגלם קרמי בישומים בתemperature גבוהה. הגורמים המרכזיים כוללים עלייה של 40–60% בממוצע בין כשלים, ותאימות למערכות IIoT הדורשות אותות יציבים ונמוכי רעש.
רוב צינורות ההגנה keramim התעשייתיים מסתמכים על חומרים כמו אלומינה, זירקוניה או שילובים שונים כדי להשיג את האיזון הקשה בין מה שעובד טוב לבין מה שמשמעי כלכלית. הגרסה של אלומינה טהורה ברמה של 99.5% נשארת פופולרית ליישומים יומיומיים בגלל היציבות שלה כשמשתנות הטמפרטורות בתוך תנורים, הודות לקצב ההתפשטות התרמית שלה שגודלו כ-8.1 x 10^-6 למעלות צלזיוס. כאשר המצב נהיה קשה במיוחד, יצרנים מפנים לזריקוניה שמסוגלת עמידות בפני שבר בשלוש פעמים יותר טובה מחומרים keramim רגילים, הודות לתכונה מיוחדת הנקראת קשיחות טרנספורמציה. בסביבות עבדה מאוד נקיות הנדרשות בשורות ייצור של מוליכים למחצה, חברות רבות מעדיפות כיום סיליקון קרביד בתערובת עם אלומינה, dado שחומרים היברידיים הללו פשוט לא מאפשרים להזיהום לחדור בקלות כמו באפשרויות המסורתיות.
| תכונה | אלומינה | זירקוניה |
|---|---|---|
| קשיות (ויקרס) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| טמפרטורת פעולה מקסימלית | 1,750°C | 2,400°C |
| עמידות בפני הלם תרמי | לְמַתֵן | מְעוּלֶה |
| התנגדות^Kימית | סיבולת לחומצות חזקות | יציבות בפתרון 알קלי |
ניתוחי חומרים משנת 2024 מצביעים על כך שיציבות הפאזות של זירקוניה מעל 1,100°C הופכת אותה למתאימה יותר לתחנות כוח פחמיות, בעוד אלומינה נשארת הבחירה הכלכלית לעיבוד כימי מתחת ל-900°C.
חוקרים שעובדים על חומרים מתקדמים החלו ליצור תערובות של אלומינה-זירקוניה עם חומרי אוקסיד נדירים. חומרים חדשים אלו יוצרים צינורות המסוגלות לעמוד ביותר מ-5,000 מחזורי חום, מה שמייצג שיפור של כ-70% ביחס לאפשרויות keramika סטנדרטיות הזמינות כיום. פריצה נוספת מגיעה מגרסאות משופרות של סיליקון ניטריד, שה mueen 98% עמידות בפני קורוזיה בכל טווח ה-pH, מ-1 עד 14, דבר שעד כה הציג בעיות גדולות במיוחד למתקני טיפול בשפכים. תחזיות שוק מצביעות כי צינורות 보גנים keramika מרוכבים אלו עשויים לצבור מקום בכ-35% מיישומי חיישנים תעשייתיים ברחבי העולם עד אמצע העשור, כפי שמדווחים מומחים המתמחים בטכנולוגיות של מערכות תרמיות.
EN
