הסיבה שלכידוחי משאבה קרמית למדידה יש عمر ארוך ושומרים על דיוק במדידה היא בגלל שהם עשויים מחומרים מיוחדים שמעדיפים על מתכות רגילות באופן מכריע. כיום, רוב עיצובי הכידוחים מסתמכים על שלושה סוגי קרמיקה מתקדמת: זירקוניה (שנוסחתה היא ZrO2), אלומינה (Al2O3) ופחית הסיליקון (SiC בקיצור). מה גורם לחומרים האלה להיות ייחודיים? יש להם דרגת קשיחות ויקרס גבוהה במיוחד, מעל 3.5 GPa, כלומר הם לא יתעבו או יעוותו גם כשישוموا ללחצים של מעל 50 MPa במהלך הפעלה. ונדבר במספרים: כידוחי קרמיקה שומרים על צורתם טוב בכ-98 אחוז בהשוואה לכידוחי נירוסטה תחת מחזורי מתח חוזרים. עמידות שכזו עוברת ישירות להחלפות פחותות וביצועים עקביים יותר לאורך זמן.
היציבות התרמית מגבילה את האמינות. ZrO2 מפגין התפשטות תרמית קרובה לאפס (±2 ppm/°K) בין -20°C ל-200°C, ומונע נקעים מיקרוסקופיים ושומר על סטיית ממדים של פחות מ-0.1% — מה שקריטי לדיוק חזרתי במתן חומרים בתנאים משתנים כמו מערכות הזרקה כימיות.
העיבוד המדויק מגביר את היתרונות הללו. באמצעות כלים למיגון יהלום, יצרנים משיגים סובלנות של ±1 מיקרומטר, מה שמבטיח שקוטרי הפלונגר ישארו בתוך 0.003% מהמפרט לאורך 10,000+ שעות. עקביות ברמה מיקרונית זו קשורה ישירות לדיוק בהזרקה, ומצמצמת את הסטייה הנפחית לפחות מ-0.5% בשנה בתנאים כימיים קיצוניים, כפי שצוין במחקר מוביל בתעשייה.
פלוגרים למשאבת דוזק קרמית משתמשים בזירקוניה (ZrO2), אלומינה (Al2O3) וסיליקון קרביד (SiC) כדי להשיג קשיחות יוצאת דופן ויציבות ממדית. חומרי הקרמיקה המתקדמים הללו מגיעים לערכים של קשיחות וייקרס שמעל 1,500 HV, מה שמאפשר שליטה מדויקת בנוזלים גם בלחצים הגבוהים מ-500 בר.
מודול האלסטיות הגבוה של אלומינה (380 GPa) וסיליקון קרביד (420 GPa) ממזער את ההתפשטות הרדיאלית במהלך הפעולה. זה מבטיח שמרווחי הבוכנה לצילינדר יישארו בטווח של ±2 מיקרון, מה שתורם ישירות לסטיות מינון מתחת ל-0.5% לאורך 10,000 מחזורים.
ZrO2 שומר על 95% מכוחו בטמפרטורת החדר גם ב-800°C, ובכך עולה בהרבה על חלופות מתכתיות שאיבדות 40–60% מהכוח שלהן מעל 400°C. עמידות תרמית זו מונעת שינוי בגאומטריה ביישומים בעלי חום גבוה, כגון סטריליזציה באדים בייצור תרופות.
טכניקות טיגון מודרניות מייצרות ערכים של חוסר אחידות משטח (Ra) בגובה 0.05–0.1 מיקרון על גבי פלונגרים קרמיים. דיוק גאומטרי תחת-מיקרוני זה מוריד את אובדי הזורם ב-18% בהשוואה לרכיבי נירוסטה סטנדרטיים, בהתאם למדדי יעילות המשאבות לפי ISO 22096:2022.
צירקוניה (ZrO2) ואלומינה (Al2O3) מציגות עמידות חריגה בפני שחיקה בעת טיפול בחומצות, 알קלים וממיסים. בניגוד למתכות, קרמיקה עמידה בפירוק אלקטרוכימי הודות לקשרים האטומיים קוולנטיים ולחוסר באלקטרונים חופשיים. הן עמידות בפני חשיפה לחומצת מלח 15% ולבנתרן קורוזיבי (pH 14) ללא נקבוביות או איבוד חומר.
מחקר השוואתי משנת 2024 גילה שפלוגרים קרמיים עלו על פלוגרים מפלדת אל חלד ב-27–41% בסופרנית לחשיפה לחומצה גופרתית במהלך 500 שעות פעילות. טבעם האינרטי גם מבטל את סיכון הקורוזיה הגלואנית במערכות עם חומרים שונים – דרוש בתהליכי הזרקה כימית.
בניגוד לפלוגרים מבוססי פולימר, המתרחבים בסולבנטים אורגניים, הקרמיקה שומרת על יציבות ממדים בטווח pH 0–14. זה מונע כשלים בחיבורים הנגרמים כתוצאה מהתפשטות, יתרון קריטי במערכות פרמצבטיות העוסקות באצטון או אתנול. קרמיקה גם אינה סובלת מקשיון מימן, שהוא נפוץ בсплавי טיטניום בעת חשיפה ממושכת לחומצות.
על ידי עמידות בבליעה כימית ובשחיקה של פני השטח, שוחות קרמיקה שומרות על הגאומטריה והמסה המקוריות שלהן. הדבר מאפשר דיוק של ±0.5% במתזים לאורך יותר מ-10,000 מחזורים ביישומי מתז כלור, בהשוואה לשינוי של ±2.5% שנמצא ברכיבי PTFE. הכימיה היציבה של שטח הפנים מונעת הצמדת סוכני פעולה שעלולים לשנות את ההתנהגות ההידרודינמית או את משקל השוחה.
פלוגרים קרמיים מזירקוניה ואלומינה שומרים על צורתם ברמת המיקרון גם תחת לחצים של מעל 500 בר. עם מודולוס יאנג בטווח של 200 עד 400 GPa, חומרים אלו עמידים בפני כיפוף או מתיחה, ומשאירים סטיות בנפח ההזזה מתחת ל-1% לאחר 10 מיליון מחזורים. בניגוד לחלופות מפלדת אל חלד, קרמיקה איננה מציגה את מה שמהנדסים מכנים "אפקט הקפיץ", שבו רכיבים חוזרים מעט למצבם המקורי לאחר דחיסה. זה חשוב, משום שפלוגרים מפלדת אל חלד יוצרים בדרך כלל שגיאות מדידה בגובה 0.3 עד 0.5% בעת טיפול בנוזלים עבים וצמיגיים. מחקר שהתפרסם בשנה שעברה בכתב העת Journal of Precision Engineering אישש ממצא זה, והדגיש מדוע רבים מייצרי מערכות מחליפים לפתרונות קרמיים ביישומים קריטיים.
פלוגרים קרמיים שומרים על 99.8% ממסירת הפנים המקורית שלהם לאחר 5,000 שעות של פעולה מתמדת, בהשוואה ל-92% בפלוגרים מפלדה קשה. יציבות ממדידה זו ממזערת את השונות בחיכוך שמגיבה לרמת חזרתיות של הפעלה. במערכות בקרת pH, משאבות פלונגר קרמי שומרות על עקביות זרימה של ±0.25% לאורך תקופות של 12 חודשים – ומשיגות ביצועים טובים יותר מגרסאות מתכתיות פי 4.
קצב החשיפה האפסי כמעט של קרמיקה מתקדמת מקטין את סטיית הקליברציה לכ-0.1% לשנה. מחקרים מראים שמשאבות פלונגר קרמי שומרות על דיוק קליברציה בתוך טווח של ±0.5% למשך יותר מ-50,000 שעות פעילות – פי שלושה יותר מחומרים קונבנציונליים. רמת היציבות הזו חיונית ביישומים פרמצבטיים שבהם התקנים של USP <797> דורשים פחות מ-1% שונות בהזרקה בתהליכי הכנת תערובות סטריליות.
פלוגרים קרמיים לדיפוזיית נוזלים הם אסונטיים בתעשיית הייצור עתירת דיוק כמו ייצור תרופות וייצור מוליכי חום. התנגדותם לנוזלים ריאקטיביים מבטיחה ביצועים אמינים בטיפול במים לצורך דיפוזיית חומרי חיטוי, עם דיוק של ±0.5% לאורך יותר מ-10,000 שעות. בייצור שבביי חומרה באמצעות אצלה לחומה, פלוגרים מזירקוניה מספקים חזרתיות של פחות מ-5 מיקרומטר – דרישה חיונית להדפסת מעגלים בקנה מידה ננומטרי.
לפי ניתוח השוק העדכני ביותר של משאבות דוזק פלונגר לשנת 2024, התעשייה ספגה צמיחה שנתית של כ-22% בשימוש בסרטים מתקדמים במקום חומרים מסורתיים. הסיבה העיקרית לכך היא שהרכיבים הסרמיים עמידים בהרבה יותר מול חומרים מחזירים וחומרים כימיים קיצוניים שברוב המקרים יגרמו לבלאי של חלקים ממתכת. תעשיות עיבוד המזון החלו לעבור לשימוש בפלוגרים מקרبيد סיליקון בתהליכי הנקיה הקפדניים הידועים כמערכות CIP. מעבר זה עוזר למנוע חדירת חלקיקים מטאלים לא רצויים למוצרי המזון במהלך הייצור. גם בתחומי האנרגיה המתחדשת ניתן לראות שימוש בסרטים לצורך מדידת אלקטרוליטים במערכות ייצור מימן. חלקים ממתכת פשוט לא עמידים לאורך זמן בשל ההתנוות המהירה שלהם. יצרנים רבים משתמשים כעת בשילוב של ציפויי CVD עם בסיסי אלומינה כדי לעמוד בדרישות הטמפרטורות הגבוהות מאוד בתהליכי ביודיזל. ככל שחברות מחפשות דרכים לשפר את היעילות תוך הפחתת עלויות תחזוקה, נראה כי המגמה לכיוון פתרונות סרמיים עומדת להישאר בתחום התעשייתי הרחב.
EN
