Pramoniniai jutikliai turi veikti gana sunkiomis sąlygomis, pavyzdžiui, ties lydymosi temperatūra apie 1 750 laipsnių Celsijaus ar cheminės perdirbimo gamyklose, kurios yra itin intensyvios. Siekiant apsaugoti šiuos jutiklius, dažnai naudojami keraminiai vamzdeliai kaip pagrindinis apsauginis skydas nuo pažeidimų. Šie vamzdeliai paprastai pagaminti iš tokių medžiagų kaip aliuminio oksidas ar cirkonio dioksido kompozitai, kurie gali atlaikyti ekstremalią karštį nesiskaldydami ir nechemiškai reaguoti su dauguma medžiagų. Keramikos išsiskiria tai, kad ji išlaiko savo formą net po daugybės kaitinimo ir aušinimo ciklų, palyginti su metalais. Tai reiškia mažesnį signalo dreifą jutiklių rodmenyse, nes jie išsiplėčia ir susitraukia mažiau nei metalas. Pagal 2023 m. paskelbtus tyrimus dėl medžiagų ilgaamžiškumo, keičiant nerūdijančio plieno apvalkalus į keraminius vamzdelius, vien stiklo krosnyse jutiklių keitimasis sumažėjo apie du trečdalius.
Kai kalbama apie ekstremalias temperatūros kaitą, keraminės vamzdelių rūšys pranašesnės už daugelį įprastų medžiagų, ypač kai reikia išlaikyti staigius pokyčius – 200 laipsnių Celsijaus per minutę ar daugiau, kurie tikrai apkrauna komponentus ir sukelia įtrūkimų atsiradimą. Paslaptis dalinai slypi jų šiluminio plėtimosi savybėse. Paimkime pavyzdžiui aliuminio oksidą – jis plečiasi apie 8,6 mikrometrų vienam metrui vienam laipsniui Celsijaus, žymiai mažiau nei standartinio nerūdijančio plieno 316, kurio rodiklis yra 17,3. Tai reiškia, kad keraminiai detalių elementai nepraranda savo stiprumo dėl nuolatinio įkaismos ir aušimo ciklų. Tyrimai, nagrinėjantys, kaip šios medžiagos ilgainiui atlaiko apkrovas, parodė itin įspūdingų rezultatų, ypač tiriant cirkonio dioksido pagrindu pagamintus vamzdelius. Nustatyta, kad jie išgyvena daugiau nei 5 000 pilnų šiluminių ciklų, kai temperatūra nukrenta nuo deginančiai karštos 1 200 laipsnių iki kambario temperatūros – 25 laipsnių, be jokių nusidėvėjimo požymių. Toks ilgaamžiškumas daro juos puikiu pasirinkimu naudoti pramonės aplinkose, tokiomis kaip krosnys ir termoapdirbimo krosnys, kur objektai nuolat kaitinami ir vėsinami kartą po karto.
Cheminių gamyklose ir atliekų sudeginimo įrenginiuose keraminės vamzdelių apsaugos išlaiko sunkias sąlygas, tokias kaip:
Korozijos atsparumo tyrimai patvirtina, kad keraminė apsauga petrochemijos aplinkose padidina daviklių tarnavimo laiką 3–5 kartus, palyginti su polimeru dengtomis metalinėmis apsaugomis.
Keraminiai apsaugos vamzdeliai gali išlaikyti temperatūrą, pasiekiančią apie 1 600 laipsnių Celsijaus, veikiant nuolat, o kai kurios pažangios kompozitinės versijos, pagal naujausius tyrimus dėl aukštos temperatūros medžiagų, išlaiko net virš 2 000 laipsnių. Polimerai visiškai kitokie – jie pradeda skilinėti, kai temperatūra pakyla virš 300 laipsnių. Aliuminio oksido pagrindu pagaminti keraminiai dirbiniai išsiplėtę labai nežymiai – iš tiesų mažiau nei 1 procentas tiesioginėje linijoje net 1 200 laipsnių Celsijaus temperatūroje. O tada yra cirkonija, kuri yra tikrai nuostabi, nes gali išlaikyti šilumos pokyčius, viršijančius 500 laipsnių per minutę, nesuskeldėdama. Šios savybės daro keramiką itin vertingą ekstremaliomis sąlygomis, kur kitos medžiagos tiesiog neištvertų.
Kovalentiniai ryšiai keramikoje užtikrina išskirtinį atsparumą šiluminiam nuovargiui. Silicio karbido vamzdeliai išlaiko daugiau nei 15 000 šildymo-šaldymo ciklų tarp 200 °C ir 1 400 °C su mažiau nei 2 % nuolatine deformacija, kas patvirtinta branduolinės energijos medžiagų tyrimuose. Šis ilgaamžiškumas yra būtinas metalų terminio apdorojimo krosnyse, kur kasdieniai svyravimai dažnai viršija 800 °C.
Esant 1 200 °C nerūdijantis plienas išsiplėčia 12–15 %, tuo tarpu keramika – tik 0,5–0,8 %. Keramika taip pat išvengia staigių gedimų, tokių kaip išlinkimas ar lydymasis, pastebimų metaluose. Pramonės duomenys rodo, kad stiklo temperavimo linijose keramika apsaugoti jutikliai tarnauja 8–10 metų, žymiai ilgiau nei 2–3 metais su metaline apsauga.
Medžiagos, tokios kaip aliuminio oksidas Al2O3 ir cirkonio oksidas ZrO2, pasižymi nepaprastu atsparumu rūgštims, bazėms ir įvairiems tirpikliams net ekstremaliuose pH lygiuose – nuo apie 0,5 iki pat 14. Šias keramines tokias ilgaamžes daro jų gebėjimas kurti apsauginius paviršiaus sluoksnius, kurie efektyviai sustabdo jonų judėjimą ir neleidžia korozijai plisti. Tai reiškia, kad jos gali tinkamai veikti metų metus cheminių procesų įrenginiuose, kur kitos medžiagos sugestų daug greičiau. O kaip yra su metalais? Dauguma metalų tiesiog nėra sukurti ilgam tarnauti šiuose sunkiuose aplinkose. Tyrimai parodė, kad daugelis įprastų metalų po 300–500 valandų veikimo panašiomis agresyviomis sąlygomis jau pradeda rodyti gedimo požymius. Dėl to tiek daug pramonės sričių dabar naudoja keramikos komponentus svarbiems dalims, kurioms reikalingas ilgalaikis patikimumas.
Naujausi tyrimai pabrėžia keramikinių apsaugos vamzdelių pranašumą pramoniniuose koroziniuose terpėse:
| Cheminių medžiagų poveikis | Aliuminis (1 000 h) | 316 nerūdijantis plienas (1 000 h) | Masės netektis (%) |
|---|---|---|---|
| 20 % sieros rūgštis | 0.03 | 12.7 | -98 % palyginti su metalu |
| 50 % natrio hidroksidas | 0.01 | 8.2 | -99 % palyginti su metalu |
| Chlorinti tirpikliai | 0.00 | 4.1 | -100 % palyginti su metalu |
Šaltinis: Aukštosios temperatūros medžiagų žurnalas, 2023
Šie rezultatai pabrėžia keramikos gebėjimą atlaikyti putnelinę ir įtempių korozijos įtrūkimų riziką kintamo pH ir halogenų junginių aplinkose.
Keraminės apsaugos vamzdės labai gerai veikia stiklo krosnyse, kuriose temperatūra viršija 1 400 laipsnių Celsijaus, nes šildomos jos beveik neplečiasi ir chemiškai nereaguoja su aplinkinių medžiagų. Šie vamzdžiai išlieka nepažeisti net tada, kai yra tiesiogiai įdedami į tirpų stiklą, nesuskyla ir nesidėvi, todėl neleidžia nepageidaujamoms medžiagoms patekti į galutinį produktą. Tikslios temperatūros matavimo reikšmė yra labai svarbi, kad būtų galima kontroliuoti stiklo tekštumą ar klampumą per apdorojimo procesą. Net mažos pokyčiai ±5 laipsniais gali nulemti, ar pagaminti stiklo gaminiai atitiks kokybės reikalavimus, ar bus atmesti.
Cemento krosnys veikia jutiklius 1 450 °C temperatūroms, šarminiams garams ir abrazyviškiems klinkerio dalelėms. Šiomis sąlygomis aliuminio- cirkonio kompozitai pasižymi triskart ilgesniu tarnavimo laiku lyginant su metaliniais sprendimais, sumažindami remonto dažnumą besisukančių krosnų aplinkose. Jų neporėta struktūra taip pat neleidžia kaupytis cementiniams nuosėdams, kurie galėtų iškraipyti matavimo rodmenis.
Aukštos grynumo aliuminio vamzdžiai išlaiko dimensinę stabilumą keramikos deginimo krosnyse, kur temperatūra pasiekia 1 600–1 800 °C, neleidžia jutiklių parodymams nukrypti ir užtikrina ±2 °C tikslumą per 5 000 ciklų. Metalų termoapdirbimo krosnyse keraminiai vamzdžiai atsparūs karbūrizacijai ir lupimuisi – tai dažni gedimo tipai metaliniams apvalkalams.
2023 metais atlikta 200 pramonės įmonių apklausa parodė, kad 68 % jų pereina nuo metalinių prie keramikos jutiklių apsaugos aukštos temperatūros taikymo srityse. Pagrindiniai veiksniai – 40–60 % ilgesnis vidutinis gedimo laikas tarp gedimų ir suderinamumas su IIoT sistemomis, reikalaujančiomis stabilios, mažo triukšmo signalų.
Dauguma pramoninių keramikos apsaugos vamzdelių remiasi tokiomis medžiagomis kaip aliumina, cirkonija ar įvairūs kompozitiniai mišiniai, kad pasiektų sudėtingą pusiausvyrą tarp to, kas veikia gerai, ir kas yra finansiškai naudinga. 99,5 % grynumo aliuminos variantas išlieka populiarus kasdieniams taikymams dėl jos stabilumo temperatūros svyravimų metu krosnyse, nes jos šiluminio plėtimosi koeficientas yra apie 8,1 x 10^-6 laipsniui Celsijaus. Kai sąlygos tampa tikrai sunkios, gamintojai pasuka link cirkonijos, kuri kaip nors pavyksta atlaikyti trūkinėjimą esant apkrovai maždaug tris kartus geriau nei įprastinės keramikos dėka ypatingo reiškinio, vadinamo transformacine grūdėjimu. Tiems superšvariems aplinkos sąlygoms, kurios reikalingos puslaidininkių gamybos linijose, daugelis įmonių dabar teikia pirmenybę silicio karbidui, sumaišytam su aliumina, kadangi šios hibridinės medžiagos tiesiog neleidžia teršalams taip lengvai prasiskverbti, kaip tradicinės parinktys.
| Savybė | Aluminio | Cirkonia |
|---|---|---|
| Kietumas (Vickerso) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maks. darbo temperatūra | 1,750 °C | 2,400 °C |
| Termينis smūrio varžymas | Vidutinis | Puikus |
| Atsparumas cheminėms medžiagoms | Atsparumas stipriai rūgščiai | Šarmaus tirpalo stabilumas |
Medžiagų analizės iš 2024 m. rodo, kad cirkonio dioksido fazės stabilumas virš 1 100 °C daro jį tinkamesnį anglių kuro elektrinėms, tuo tarpu aliuminio oksidas lieka ekonomiškesnis pasirinkimas cheminiam apdorojimui žemiau 900 °C.
Kurdami pažangius medžiagų kompozitus, kurie sudaryti iš aliuminio oksido ir cirkonio oksido mišinių su retųjų žemių oksidais, mokslininkai sukūrė vamzdelius, gebančius išgyventi daugiau nei 5000 šiluminių ciklų – tai apie 70 % geresnis našumas lyginant su standartinėmis keraminėmis galimybėmis, kurios šiuo metu yra rinkoje. Kitas proveržis – silicio nitrido stiprinamos versijos, pasižyminčios įspūdingais 98 % atsparumo korozijai rodikliais visame pH spektre nuo 1 iki 14, kas anksčiau buvo pagrindinė problema atliekų vandens valymo įrenginiams. Ekspertų, specializuojančiųsi šiluminių sistemų technologijose, teigimu, prognozuojama, kad šie kompozitinės keramikos apsauginiai vamzdeliai iki dešimtmečio vidurio gali užimti apie 35 % pramoninių jutiklių taikymo sričių visame pasaulyje.
EN
