Ražnieciskie sensori ir jāizdara diezgan smagiem apstākļiem, piemēram, šķelto metālu temperatūrā aptuveni 1750 grādiem Celsijā vai ķīmisko materiālu pārstrādes rūpnīcās, kur viss kļūst ļoti intensīvs. Lai aizsargātu šos sensoriem, keramikas caurules bieži tiek izmantotas kā galvenais aizsargs pret bojājumiem. Šie cauruļi parasti ir izgatavoti no materiāliem, piemēram, alumīnija vai zirkonja kompozītiem, kas spēj izturēt strauju temperatūru, nesadārdzoties, un nav ķīmiskas reakcijas ar vairumu vielu. Keramikas iezīmes atšķiras no metāliem, jo tās spēj saglabāt savu formu pat pēc neskaitāmām karstuma un dzesēšanas cikliem. Tas nozīmē, ka sensoru skaitļi ir mazāk drēbīgi, jo tie nav tik plaši un sašaurināti kā metāls. Saskaņā ar nesen publicētu 2023. gadā publicēto pētījumu par materiālu izturību, pārcelšanās no nerūsējošā tērauda apvalkiem uz keramiskām cauruļvadiem tikai stikla krāsnīs samazina sensoru aizstāšanu par aptuveni divām trešdaļām.
Ja runā par ekstremālām temperatūras svārstībām, keramikas caurules pārspēj lielākās daļas parastos materiālus, īpaši tad, ja ir straujas izmaiņas — 200 grādi pēc Celsija minūtē vai vairāk, kas ļoti slogā komponentus un rada plaisas. Daļēji šis noslēpums slēpjas to siltuma izplešanās īpašībās. Piemēram, alumīnija oksīda keramika izplešas aptuveni 8,6 mikrometri uz metru uz vienu grādu pēc Celsija, kas ir ievērojami zemāk par standarta nerūsējošā tērauda 316 siltuma izplešanās līmeni — 17,3. Tas nozīmē, ka keramikas detaļas tik ļoti neizdilst no biežām sasilšanas un atdzišanas ciklu maiņām. Pētījumi par šo materiālu ilgtermiņa izturību ir atklājuši diezgan iespaidīgu faktu par cirkonija bāzes caurulēm. Ir pierādīts, ka tās iztur vairāk nekā 5 000 pilnīgu termisku ciklu — no karstuma 1200 grādiem līdz istabas temperatūrai 25 grādiem — bez jebkādām nolietojuma pazīmēm. Šāda izturība padara tās par ideāliem kandidātiem rūpnieciskām vajadzībām, piemēram, ceplī un siltumapstrādes krāsnīs, kur materiālus nepārtraukti silda un atkal atdzesē.
Ķīmiskajās rūpnīcās un atkritumu sadedzināšanas iekārtās keramikas caurules izturēt smagos apstākļus, tostarp:
Korozijas izturības pētījumi apstiprina, ka keramikas aizsardzība sensoru kalpošanas laiku naftas ķīmijas apstākļos pagarina 3–5 reizes salīdzinājumā ar polimēra pārklātām metāla mufēm.
Keramiskās aizsargsprūžas var izturēt temperatūras līdz pat aptuveni 1600 grādiem pēc Celsija nepārtrauktā darbībā, un dažas jaunākās kompozītversijas pēc jaunākajiem pētījumiem par augsttemperatūras materiāliem ir izturējušas vairāk nekā 2000 grādus. Polimēri ir pilnīgi citādi — tie sāk sadalīties, tiklīdz temperatūra pārsniedz aptuveni 300 grādus. Alumīnija oksīda bāzes keramika izplešas ļoti maz — patiesībā lineāri mazāk nekā 1 procentu pat 1200 grādu temperatūrā. Un tad ir cirkonija, kas ir īpaši iespaidīga, jo tā iztur siltuma svārstības vairāk nekā 500 grādu apmērā minūtē, nesaplīstot. Šīs īpašības padara keramiku par ļoti vērtīgu materiālu ekstremālos apstākļos, kuros citi materiāli vienkārši neizturētu.
Keramikā esošie kovalentie saišķi nodrošina izcilu pretestību termisko nogurumu. Silīcija karbīda caurules iztur vairāk nekā 15 000 sildīšanas-dzesēšanas ciklu intervālā no 200°C līdz 1400°C ar mazāk nekā 2% pastāvīgu deformāciju, kas apstiprināts kodolenerģētikas materiālu pētījumos. Šī izturība ir būtiska metālu termoapstrādes krāsnīs, kur ikdienas svārstības bieži pārsniedz 800°C.
1200°C temperatūrā nerūsējošā tērauda apvalki izplešas par 12–15%, kamēr keramika izplešas tikai par 0,5–0,8%. Keramika arī izvairās no pēkšņiem bojājumu veidiem, piemēram, izkropļojumiem vai kušanai, ko var novērot metālos. Rūpniecības dati liecina, ka keramikas aizsargāti sensori stikla kalšanas līnijā kalpo 8–10 gadus, kas ir ievērojami ilgāk nekā 2–3 gadi ar metāla aizsargātām ierīcēm.
Materiāli, piemēram, alumīnija oksīds Al2O3 un cirkonija oksīds ZrO2, parāda ievērojamu izturību pret skābēm, bāzēm un dažādiem šķīdinātājiem pat ekstremālos pH līmeņos no aptuveni 0,5 līdz pat 14. Šos keramikas materiālus padara tik izturīgus to spēja veidot aizsargkārtas, kas efektīvi bloķē jonu kustību un novērš koroziju. Tas nozīmē, ka tie var pienācīgi funkcionēt gadiem ilgi ķīmiskās pārstrādes iekārtās, kur citi materiāli daudz ātrāk zaudētu savas īpašības. Ja tomēr apsvērt metālu izmantošanu? Lielākā daļa metālu vienkārši nav piemēroti ilgtermiņa izmantošanai šādos agresīvos apstākļos. Testi ir parādījuši, ka daudzi izplatīti metāli sāk rādīt bojājumu pazīmes jau pēc 300 līdz 500 stundām, eksponēti līdzīgiem korozīviem apstākļiem. Tāpēc arvien vairāk rūpniecisku pielietojumu tagad balstās uz keramikas komponentiem kritiskām detaļām, kur nepieciešama ilgtermiņa uzticamība.
Pētījumi liecina par keramikas aizsargcaurulēm labāku izturību pret agresīviem rūpnieciskajiem šķīdinātājiem:
| Ķīmiskās vielas iedarbība | Alumīnijs (1 000 h) | nerūsējošais tērauds 316 (1 000 h) | Masas zudums (%) |
|---|---|---|---|
| 20% sērskābe | 0.03 | 12.7 | -98% salīdzinājumā ar metālu |
| 50% nātrija hidroksīds | 0.01 | 8.2 | -99% salīdzinājumā ar metālu |
| Hlorēti šķīdinātāji | 0.00 | 4.1 | -100% salīdzinājumā ar metālu |
Avots: Augstas temperatūras materiāli, žurnāls, 2023
Šie rezultāti uzsvērtu keramikas spēju pretestoties punktveida korozijai un spraiguma korozijas plaisām vidē ar mainīgu pH un halogēnu savienojumiem.
Keramiskās aizsargcaurules ļoti labi darbojas stikla kausēšanas krāsnīs, kas darbojas ar temperatūru virs 1400 grādiem pēc Celsija, jo tās sasildot izplešas ļoti maz un neķīmiski nereaģē ar apkārt esošajiem materiāliem. Šīs caurules saglabā savu struktūru pat tad, ja tās tiek ievietotas tieši kausētā stiklā, neplīstot vai nesabojājoties, kas novērš neparedzētu materiālu iekļūšanu galaproduktā. Precīzi temperatūras mērījumi ir ļoti svarīgi, lai kontrolētu stikla tekstūru — cik šķidrs vai biezs tas karsēšanas procesā kļūst. Pat nelielas izmaiņas plus vai mīnus 5 grādos var būt izšķirošas, nosakot, vai gatavie stikla izstrādājumi atbilst kvalitātes standartiem vai tiek noraidīti.
Cementa cepelēs sensori tiek pakļauti 1 450 °C augstām temperatūrām, sārmainiem tvaikiem un abrazīviem klinkera daļiņām. Šajos apstākļos alumīnija-cirkonija kompozīti nodrošina trīs reizes ilgāku kalpošanas laiku salīdzinājumā ar metāla alternatīvām, samazinot apkopes biežumu rotējošās cepelēs. To neporaina struktūra arī novērš cementa nogulsnes uzkrāšanos, kas varētu izkropļot mērījumus.
Augstas tīrības alumīnija caurules saglabā dimensiju stabilitāti keramikas cepelēs, kuru temperatūra sasniedz 1 600–1 800 °C, novēršot sensora novirzes un nodrošinot ±2 °C precizitāti pēc 5 000 cikliem. Metālu termoapstrādes krāsnīs keramikas caurules pretojas karbonizācijai un apogļošanās parādībām — biežākām metāla apvalku izgāšanās iemesliem.
2023. gada aptauja starp 200 rūpnīcām parādīja, ka 68 % pārej no metāla uz keramikas sensoru aizsardzību augstas temperatūras lietojumos. Galvenie faktori ir vidējās bezatkļūvju darbības laika palielināšanās par 40–60 % un saderība ar IIoT sistēmām, kurām nepieciešami stabili, zema trokšņa signāli.
Lielākā daļa rūpnieciski izmantoto keramikas aizsardzības cauruļu balstās uz materiāliem, piemēram, alumīnija oksīdu, cirkonija oksīdu vai dažādām kompozītajām maisījumformām, lai sasniegtu grūti panācamu līdzsvaru starp to, kas labi darbojas, un to, kas ir finansiāli izdevīgi. 99,5% tīrs alumīnija oksīds joprojām ir populārs ikdienas lietojumprogrammās, jo tas uztur savu stabilitāti temperatūras svārstībās krāsnīs pateicoties savai termiskās izplešanās pakāpei aptuveni 8,1 x 10^-6 grādam pēc Celsija. Kad apstākļi kļūst īpaši sarežģīti, ražotāji izmanto cirkonija oksīdu, kurš kaut kādā veidā spēj izturēt triecieniem aptuveni trīs reizes labāk nekā parastie keramikas materiāli, izmantojot īpašu īpašību, ko sauc par transformācijas sacietēšanu. Tīrumvides vajadzībām pusvadītāju ražošanas līnijās daudzas uzņēmējsabiedrības tagad dod priekšroku silīcija karbīdam, kas sajaukts ar alumīnija oksīdu, jo šie hibrīda materiāli vienkārši nelaiž piesārņotājus tik viegli iekļūt salīdzinājumā ar tradicionālajiem variantiem.
| Īpašība | Alumina | Cirkonija |
|---|---|---|
| Cietība (Vikersa) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maksimālā darbības temperatūra | 1,750 °C | 2,400 °C |
| Termiskā šoka pretestība | Mērens | Ērti |
| Ķīmiskā atbalstība | Izturība pret stiprām skābēm | Stabilitāte sārmu šķīdumos |
Materiālu analīzes no 2024. gada liecina, ka cirkonija fāžu stabilitāte virs 1 100 °C padara to piemērotāku lietošanai ogļu siltām elektrostacijās, savukārt alumīnija oksīds joprojām ir ekonomiski izdevīgākais risinājums ķīmiskajā apstrādē zem 900 °C.
Pētnieki, kuri strādā ar jaunattīstītajiem materiāliem, sākuši izstrādāt alumīnija cirkonija kompozītmateriālus, kas sajaukti ar retzemju oksīdiem. Šie jaunie materiāli rada caurules, kuras spēj izturēt vairāk nekā 5000 termiskos ciklus, kas nozīmē aptuveni par 70% labāku veiktspēju salīdzinājumā ar pašlaik pieejamām standarta keramiskajām iespējām. Vēl viens izcilums ir silīcija nitrīda pastiprinātās versijas, kas visā pH spektrā no 1 līdz 14 parāda ievērojamos 98% pretestības pret koroziju, kas iepriekš radīja lielas problēmas īpaši notekūdeņu attīrīšanas iekārtām. Tirgus prognozes liecina, ka šīs kompozītās keramiskās aizsardzības caurules varētu ieņemt aptuveni 35% no rūpniecisko sensoru pielietojumiem visā pasaulē līdz šī gadsimta vidum, kā ziņo eksperti, kuri specializējas siltuma sistēmu tehnoloģijās.
EN
