工業センサーは 厳しい環境で 働かなければなりません 溶融金属を摂氏1750度くらいの温度で 化学加工工場で 作業が激しくなるような状態で 損傷から守るための主要な盾としてセラミック管がよく使用されます 熱を抑えられていて 化学反応を起こさないものです 熱を抑えられても 化学反応を起こさないのです 陶器は金属と比べると 形状を保てる能力で 絶え間ない温め冷却サイクルを経ても 形状を保てる能力があります センサーの読み取りが 漂流する幅が減るのです センサーの読み取りが 金属のように 膨張したり収縮したりしないからです 2023年に素材耐久性に関する 最近の研究によると ステンレス鋼の蓋から陶器管への切り替えによって センサーの交換量は ガラス炉だけで約3分の2削減されました
極端な温度変化を扱う場合、セラミック製チューブはほとんどの従来の材料を圧倒的に上回ります。特に毎分200℃以上という急激な温度変化では、部品に大きな応力がかかり亀裂が生じやすくなりますが、そのような状況でも優れた性能を発揮します。その秘密は、熱膨張特性にもあります。たとえばアルミナセラミックスは、約8.6マイクロメートル／メートル／℃で膨張するのに対し、標準的な316ステンレス鋼の17.3マイクロメートル／メートル／℃と比べてはるかに低い値です。このため、セラミック部品は繰り返しの加熱・冷却による疲労を受けにくくなっています。長期間にわたる材料の耐久性に関する研究では、ジルコニア系チューブに関して特に注目すべき結果が得られています。これらのチューブは、灼熱の1,200℃から室温の25℃までを1サイクルとして、5,000回以上の完全な熱サイクルを繰り返しても劣化の兆候を示さないことが実証されています。このような耐久性の高さから、工業用の窯や熱処理炉など、繰り返し加熱と冷却が行われる環境での使用に最適です。
化学工場や廃棄物焼却炉では、セラミックチューブが以下のような過酷な条件に耐えます。
腐食抵抗性に関する研究により、石油化学分野においてポリマー被覆金属シースと比較して、セラミック保護によりセンサー寿命が3～5倍に延びることが確認されている。
連続使用時、セラミック保護管は約1,600度までの温度に耐えることができます。最近の耐熱材料に関する研究によると、一部の高度な複合バージョンは2,000度以上でも試験に耐えています。一方、ポリマーはまったく異なり、温度が約300度を超えると分解し始めます。アルミナ系セラミックは非常に小さな熱膨張しか起こさず、1,200度においても直線的にわずか1％未満しか膨張しません。またジルコニアは非常に優れており、毎分500度以上の急激な温度変化があっても割れることなく耐えることができます。このような特性により、他の材料では到底持続できない過酷な環境下において、セラミックは極めて貴重な存在となっています。
セラミックスの共有結合は、熱疲労に対して卓越した耐性を提供します。炭化ケイ素製チューブは、200°Cから1,400°Cまでの15,000回以上の加熱・冷却サイクルに耐え、永久変形を2%未満に抑えることができ、原子力エネルギー材料の研究でその性能が確認されています。この耐久性は、毎日の温度変動が800°Cを超えることが頻繁にある金属熱処理炉において不可欠です。
1,200°Cでは、ステンレス鋼製シースは12～15%膨張するのに対し、セラミックはわずか0.5～0.8%しか膨張しません。また、セラミックは金属に見られる反りや溶融といった突然の破損モードも回避できます。業界データによると、ガラス強化ラインで使用されるセラミック保護センサーは8～10年間使用可能で、金属製シールド付きユニットの2～3年と比べて著しく長寿命です。
酸化アルミニウム（Al2O3）や酸化ジルコニウム（ZrO2）などの材料は、pHレベルが約0.5から14に及ぶ極端な条件においても、酸、塩基、およびさまざまな溶媒に対して顕著な耐性を示します。これらのセラミックスがこれほどまでに耐久性を持つ理由は、イオンの移動や腐食を実質的に防ぐ保護的な表面層を形成できる能力にあります。そのため、他の材料でははるかに早く劣化してしまう化学プロセス施設でも、長年にわたり正常に機能し続けることができます。一方で金属材料について見てみると、ほとんどの金属はこのような過酷な環境下では長期間持ちません。試験結果によると、多くの一般的な金属は同様の腐食性条件下でわずか300～500時間の暴露後にはすでに劣化の兆候を示し始めます。このため、長期的な信頼性が求められる重要な部品において、多くの産業用途で今やセラミック部品が使われるようになっています。
最近の研究では、工業用腐食性環境におけるセラミック保護管の優れた耐久性が強調されています：
| 化学物質への曝露 | アルミナ（1,000時間） | 316ステンレス鋼（1,000時間） | 質量減少率 (%) |
|---|---|---|---|
| 20% 硫酸 | 0.03 | 12.7 | 金属に対して-98% |
| 50% 水酸化ナトリウム | 0.01 | 8.2 | 金属に対して-99% |
| 塩素化溶媒 | 0.00 | 4.1 | 金属に対して-100% |
出典：高温材料ジャーナル、2023年
これらの結果は、セラミックスがpHやハロゲン化合物が変動する環境において、点食や応力腐食割れに耐える能力に優れていることを示しています。
セラミック保護管は、1,400度を超える温度で運転されるガラス炉において非常に優れた性能を発揮します。これは、加熱時にほとんど膨張せず、周囲の物質と化学反応を起こさないためです。これらの管は溶融ガラスに直接挿入しても破損したり損傷したりすることなく、最終製品に不純物が混入するのを防ぎます。加工中のガラスの粘度（流れやすさや粘り気）を制御するためには、正確な温度測定が極めて重要です。わずか±5度の温度変化でも、完成したガラス製品が品質基準を満たすかどうか、あるいは廃棄品となるかが決まることもあります。
セメントキルンでは、センサーが1,450°Cの温度、アルカリ性蒸気、および研磨性のクリンカー粒子にさらされます。これらの条件下で、アルミナ・ジルコニア複合材料は金属製代替品と比べて3倍の耐用寿命を提供し、回転式キルン環境におけるメンテナンス頻度を低減します。また、非多孔質構造により、測定値を歪ませる可能性のあるセメント系堆積物の付着を防ぎます。
高純度アルミナチューブは、1,600–1,800°Cに達するセラミック焼成キルン内で寸法安定性を維持し、センサーのドリフトを防止して5,000サイクル以上にわたり±2°Cの精度を保証します。金属熱処理炉においては、セラミックチューブがカーボライゼーションおよびスケーリング（金属製シースにおける一般的な故障モード）に耐えます。
2023年の200の工業プラントを対象とした調査によると、高温用途において金属製からセラミック製センサー保護へ移行しているプラントは68%に上ることが明らかになりました。主な要因として、平均故障間時間（MTBF）が40～60%向上することや、安定した低ノイズ信号を必要とするIIoTシステムとの互換性が挙げられます。
産業用のセラミック保護管のほとんどは、アルミナ、ジルコニア、またはさまざまな複合ブレンドなどの材料に依存しており、性能とコストの両面で適切なバランスを実現しています。99.5%純度のアルミナは、炉内の温度変化に対して安定性が高く、熱膨張率が約8.1 x 10^-6／℃であるため、日常的な用途で広く使われています。より過酷な環境では、製造業者は「変態強化」と呼ばれる特殊な性質により、通常のセラミックスよりも約3倍も破壊に対する耐性を持つジルコニアを採用します。半導体製造ラインで必要な超清浄環境では、多くの企業が伝統的な材料よりも不純物の混入を抑えやすいハイブリッド素材として、炭化ケイ素とアルミナの混合物を好んで使用しています。
| 財産 | アルミナ | ゼルコニア |
|---|---|---|
| 硬度（ビッカース） | 15â19 GPa | 12 GPa |
| 最高作動温度 | 1,750°C | 2,400°C |
| 熱衝撃耐性 | 適度 | 素晴らしい |
| 化学耐性 | 強酸耐性 | アルカリ溶液の安定性 |
2024年の材料分析によると、ジルコニアは1,100°Cを超える環境でも相安定性を保つため石炭火力発電所に適している一方、アルミナは900°C以下の化学処理において経済的な選択肢であり続ける。
先進材料に取り組む研究者たちは、希土類酸化物と混合したアルミナ・ジルコニア複合材料の開発を始めています。これらの新材料により、5,000回以上の熱サイクルに耐えられるチューブが実現しており、これは現在市販されている標準的なセラミック製品と比較して約70%性能が向上したことを意味します。別の画期的な成果として、窒化ケイ素を強化したバージョンでは、pH値1から14までの全範囲において腐食に対する驚異的な98%の耐性を示しており、これまでは特に廃水処理施設において大きな問題となっていました。熱システム技術を専門とする専門家らの報告によると、この複合セラミック保護チューブは2030年代半ばまでに世界の産業用センサー用途の約35%で採用される可能性があるとされています。
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