Keraminių dozavimo siurblių stūmoklių ilgas tarnavimo laikas ir tikslus dozavimas pasiekiama todėl, kad jie pagaminti iš specialių medžiagų, kurios pranašesnės už įprastus metalus. Šiuolaikiniai stūmoklių dizainai dažniausiai remiasi trimis pagrindiniais pažangios keramikos tipais: cirkonija (turinti formulę ZrO2), aliumina (Al2O3) ir silicio karbidas (trumpai – SiC). Kuo šios medžiagos išsiskiria? Jos turi labai aukštą Vikerso kietumo rodiklį – virš 3,5 GPa, kas reiškia, kad jos nesilenkia ir neformos net esant darbiniam spaudimui, viršijančiam 50 MPa. Ir palyginkime skaičiais: keraminiai stūmokliai išlaiko savo formą apie 98 procentais geriau nei jų nerūdijančio plieno atitikmenys, kai veikiami pakartotinių apkrovos ciklų. Toks ilgaamšiškumas tiesiogiai reiškia mažiau keitimų ir nuoseklesnį našumą ilgainiui.
Šiluminė stabilumas dar labiau padidina patikimumą. ZrO2 demonstruoja beveik nulinį šiluminį plitimą (±2 ppm/K) temperatūrų intervale nuo -20°C iki 200°C, neleidžiant mikroįtrūkimams atsirasti ir išlaikant <0,1 % matmenų kaitą – tai yra būtina tiksliam dozavimui kintančiose aplinkose, pvz., cheminėse injekcijos sistemose.
Tikslus apdirbimas padidina šiuos pranašumus. Naudojant deimantinius šlifavimo įrankius, gamintojai pasiekia ±1 μm tolerancijas, užtikrindami, kad stūmoklio skersmuo ilgiau nei 10 000 valandų išliktų ne toliau kaip 0,003 % nuo nustatytų specifikacijų. Toks mikroninio tikslumo pastovumas tiesiogiai susijęs su dozavimo tikslumu, kas sunkiomis cheminėmis sąlygomis sumažina tūrinį poslinkį iki <0,5 % per metus, kaip nurodyta pramonės lyderių tyrimuose.
Keraminiai dozavimo siurblių stūmokliai naudoja cirkonio (ZrO2), aliuminio oksidą (Al2O3) ir silicio karbidą (SiC), kad pasiektų nepakartotiną kietumą ir matmenų stabilumą. Šios pažangios keramikos pasiekia Vikerso kietumo reikšmes, viršijančias 1500 HV, leidžiančias tikslų skysčių valdymą net esant slėgiui, didesniam nei 500 bar.
Didelis aliuminio oksido (380 GPa) ir silicio karbido (420 GPa) tamprumo modulis sumažina radialinį išsiplėtimą veikimo metu. Tai užtikrina, kad tarpas tarp stūmoklio ir cilindro išliktų ribose ±2 μm, tiesiogiai prisidedant prie dozavimo nuokrypio mažesnio nei 0,5 % per 10 000 ciklų.
ZrO2 išlaiko 95 % savo kambaryje esančios temperatūros stiprumo esant 800 °C, žymiai pranašesnis už metalinius alternatyvius sprendimus, kurie netenka 40–60 % stiprumo aukštesnėje kaip 400 °C temperatūroje. Ši šiluminė atsparuma neleidžia geometrijos pokyčiams aukštos temperatūros taikymo srityse, tokiuose kaip garų sterilizacija farmaciniame gamybos procese.
Šiuolaikinės šlifavimo technologijos keraminiuose stūmokliuose pasiekia paviršiaus šiurkštumą (Ra) 0,05–0,1 μm. Šis submikroninis geometrinis tikslumas sumažina skysčio slinkimo nuostolius 18 % lyginant su standartiniais nerūdijančio plieno komponentais, remiantis ISO 22096:2022 siurblių efektyvumo matavimais.
Cirkonijaus dioksidas (ZrO2) ir aliuminio oksidas (Al2O3) parodo išskirtinę atsparumą korozijai dirbant su rūgštimis, šarmais ir tirpikliais. Skirtingai nei metalai, keraminiai medžiagai nepraranda savo savybių dėl elektrocheminės degradacijos dėka kovalenčiųjų ryšių ir laisvųjų elektronų nebuvimo. Jie atlaiko 15 % druskos rūgšties ir pH 14 natrio hidroksido poveikį be duobutėjimo ar medžiagos praradimo.
2024 m. palyginamame tyrime nustatyta, kad keraminių stūmoklių veikimas sulfurino rūgšties poveikio metu neperkraunant plieno buvo 27-41% geresnis nei 500 darbo valandų. Jų inertinė prigimtis taip pat panaikina galvaninės korozijos riziką mišriųjų medžiagų sistemose, kurios yra būtinos cheminių įpurškimo procesams.
Skirtingai nuo polimerinių tirpiklių, kurie užsikrėtė organiniais tirpikliais, keramika išlaiko matmenų stabilumą pH 014. Tai apsaugo nuo plombavimo sukeltų plombavimo gedimų, o tai yra svarbus privalumas vaistų sistemose, kuriose naudojamos acetonas ar etanolis. Keramikos gaminiai taip pat vengia vandenilio trapumo problemų, kurios yra įprastos titano lydiniuose, ilgai veikiant rūgšties poveikiui.
Varomieji keraminiai stūmokliai išlaiko savo pradinę geometriją ir masę, atsparūs cheminiam pačiuptuvui ir paviršiaus erozijai. Tai leidžia pasiekti ±0,5 % dozavimo tikslumą daugiau nei 10 000 ciklų metu balinimo skystimui dozuojant, palyginti su ±2,5 % nuokrypiu, pastebėtu naudojant PTFE komponentus. Jų stabilioji paviršiaus chemija neleidžia surišti reaktyviųjų agentų, kurie galėtų pakeisti hidrodinaminį elgesį arba stūmoklio svorį.
Cirkonio ir aliuminio oksido keraminiai stūmokliai išlaiko formą iki mikrono lygio, net kai veikiami slėgio, viršijančio 500 bar. Šių medžiagų Jungo modulis svyruoja nuo 200 iki 400 GPa, todėl jos atsparios lenkimui arba tempimui, užtikrindamos poslinkio tūrio nukrypimus mažesnius nei 1 % po 10 milijonų ciklų. Skirtingai nei nerūdijančio plieno alternatyvos, keramika nesukelia to, ką inžinieriai vadina „sprogimo efektu“, kai komponentai šiek tiek atšoka po suspaudimo. Tai svarbu, nes iš nerūdijančio plieno pagaminti stūmokliai, tvarkydami storias, klampus skysčius, paprastai sukuria dozavimo klaidas apie 0,3–0,5 %. Pernai paskelbtas tyrimas žurnale „Journal of Precision Engineering“ patvirtino šį radinį, paaiškindamas, kodėl vis daugiau gamintojų pereina prie keraminių sprendimų kritinėms aplikacijoms.
Keraminiai stūmokliai išlaiko 99,8 % savo pradinio paviršiaus apdorojimo po 5 000 valandų nepertraukiamos veiklos, palyginti su 92 % kietintam plienui. Šis matmenų stabilumas sumažina trinties pokyčius, kurie pablogina dozavimo pakartojamumą. pH reguliavimo sistemose keraminiai stūmokliniai siurbliai išlaiko ±0,25 % srauto nuoseklumą per 12 mėnesių laikotarpius – jų našumas viršija metalinių variantų našumą keturiais kartais.
Pažangios keramikos beveik nulinis dėvėjimosi lygis sumažina kalibravimo poslinkį iki <0,1 % per metus. Tyrimai parodė, kad keraminiai stūmokliniai siurbliai išlaiko kalibravimo tikslumą ribose ±0,5 % daugiau nei 50 000 eksploatacijos valandų – tris kartus ilgiau nei įprastiniai medžiagų tipai. Toks stabilumas yra būtinas farmacijos srityje, kur USP <797> standartai reikalauja mažiau nei 1 % dozavimo nuokrypio steriliose mišiniuose.
Keraminiai dozavimo siurblių stūmokliai yra būtini aukštos tikslumo pramonės sektoriuose, tokiuose kaip farmacijos gamyba ir puslaidininkių gamyba. Jų atsparumas reaguojančioms skysčių rūšims užtikrina patikimą veikimą vandens valymo procesuose dezinfekantų dozavimui, išlaikant ±0,5 % tikslumą daugiau nei 10 000 valandų. Puslaidininkių drėgnajame apdorojime cirkonio oksido stūmokliai užtikrina <5 μm dozavimo kartojamumą – būtiną nanometrinio mastelio grandynų formavimui.
Remiantis naujausia 2024 m. stūmoklinių dozavimo siurblių rinkos analize, pramonės šakose pastebėtas apie 22 % metinis augimas naudojant pažangiąją keramiką vietoj tradicinių medžiagų. Tai ypač aktualu, nes šios keraminės detalės žymiai geriau atsparios abrazyviniams medžiagoms ir agresyviems cheminėms medžiagoms, kurios paprastai greitai susidėvi metalines dalis. Maisto perdirbimo pramonė jau pradėjo pereiti prie silicio karbido stūmoklių sunkiems valymo procesams, vadinamiesiems CIP sistemų procesams. Šis pokytis padeda išvengti nenorimų metalo dalelių patekimo į maisto produktus gamybos metu. Taip pat atsinaujinančios energijos srityse matome, kad keramika naudojama elektrolitų matavimui vandenilio gavybos sistemose. Metalinės detalės ten tiesiog ilgai neišlaiko, nes labai greitai korozija jas suardo. Dabartiniai daugelio gamintojų aliuminio oksido pagrindai su CVD danga naudojami biodiesel operacijoms, kur reikalingos itin aukštos temperatūros. Kuo toliau, tuo daugiau įmonių ieško būdų didinti efektyvumą ir mažinti techninės priežiūros išlaidas, todėl tendencija naudoti keramines sprendimus atrodo esanti čia ilgai ir keliose pramonės šakose.
EN
