Үйлдвэрийн датчик нь хайлуулсан металл (ойролцоогоор 1,750 градус Цельсийн температур) эсвэл химийн боловсруулах үйлдвэрт маш хатуу нөхцөлд ажиллах шаардлагатай. Эдгээр датчикийг хамгаалахын тулд ихэвчлэн керамик хоолойг гол хамгаалалтын хэрэгсэл болгон ашигладаг. Эдгээр хоолойнуудыг ихэвчлэн маш их халуунд задрахгүй, мөн ихэнх бодисуудтай химийн урвалд ордоггүй аллюминийн исэл эсвэл цирконийн найрлагуудаас үйлдвэрлэдэг. Металлаас ялгагдах нь керамикууд нь тоо томшгүй халах, хөргөх циклүүдийн дараа ч хэлбэрээ хадгалж чаддаг юм. Энэ нь металлууд шиг том хэмжээгээр тэлэх, агшихгүй тул датчикаас ирэх заалтанд хэвийнхөөс илүү хазайлт гардаггүй гэсэн үг юм. Материалын тэсвэрт чанарын талаар 2023 онд нийтэлсэн сүүлийн үеийн судалгаагаар тэмдэгтэй гангины оронд керамик хоолой хэрэглэснээр тольныхойргоны зууханд л датчикаа солих тоог гуравны хоёроор бууруулсан байна.
Хэт өндөр, бага температурын хэлбэлзэлтэй ажиллах үед ширэмэн хоолимог шил нь ердийн материалуудыг тодорхой давуу талтайгаар даван туулдаг, ялангуяа минутанд 200°C ба түүнээс дээш хурдан өөрчлөгдөх нөхцөлд компонентуудад маш их стресс үзүүлж, трещин үүсгэх явцад илүү найдвартай байдаг. Нууц нь хэсэгчлэн дулааны хэлбэлзлийн шинж чанарт байдаг. Жишээ нь, аллюминийн оксидын ширэмийн хувьд энэ нь метр тутамд нэг градус Цельсийн хувьд ойролцоогоор 8.6 микрометр задардаг бөгөөд стандарт 316 цэвэршүүрийн ганган дахь 17.3-ийн хэмжээнээс хамаагүй бага юм. Энэ нь ширэмэн деталь халах, хөргөх үйл явцын улмаас ийм их хэмжээний ядарч сульдахгүй гэсэн үг юм. Ийм материалуудын хугацаа хязгаарын тэсвэрт чадлыг судалсан судалгаанууд зэх бэхийн суурьтай хоолимог шилийн хувьд маш гайхалтай зүйлийг илрүүлсэн. Тэд 1200 хэм халуун температурээс 25 хэмийн байгалийн температурт хүртэлх дулааны 5000-аас дээш бүтэн циклд ямар ч элэгдэлгүй тэсвэрлэж чаддаг байна гэдгийг харуулсан. Ийм тэсвэрт чадвар нь индустрийн зуух, дулааны боловсруулалтын печений шиг дахин дахин халааж, дахин дахин хөргөх нөхцөлд тогтмол ашигладаг орчинд ашиглахад түүнийг маш тохиромжтой болгодог.
Химийн үйлдвэр, хог хаягдал шатаах үйлдвэрт керамик гуурс эдгээр хатуу нөхцөлд тэсвэртэй байдаг:
Коррозийн эсрэг судалгаа нь нефть, химийн үйлдвэрт керамик хамгаалалт нь полимерон бүрхүүлтэй металл хамгаалалтаас 3–5 дахин илүү сенсорын амьдралыг сунгадгийг баталдаг.
Керамик хамгаалах гильзүүд тасралтгүй ажиллаж байх үедээ ойролцоогоор 1,600 хэм Цельсийн хүртэлх температурыг тэсвэрлэх чадвартай бөгөөд сүүлийн үеийн өндөр температурт материалын судалгаагаар зарим дэвшилтэт нийлмэл хувилбар 2,000 хэмээс дээш температурыг тэсвэрлэсэн байдаг. Харин полимерүүд бол ялгаатай, 300 хэмээс дээш халсан тохиолдолд задрана. Аллюминийн оксидон керамик 1,200 хэм Цельсийн үед ч шугаман харьцаагаар маш бага, жинхэндээ 1 хувиас бага тэлнэ. Харин циркониумынх бол маш гайхалтай юм, яагаачихав уу гэвэл минутанд 500 хэмээс дээш хурдаар температур өөрчлөгдөх үед ч трещин үүсэхгүй тэсвэрлэнэ. Эдгээр чанарууд нь керамикийг бусад материалууд тэсвэрлэж чадахгүй хэт элбэг орчинд маш үнэтэй болгож өгдөг.
Керамикт ковалент холбоо нь дулааны эвлэгдлийн эсрэг тэсвэрт чанарыг онцгойлж өгдөг. Цахиур карбид хоолойнууд 200°C ба 1,400°C-ийн хооронд 15,000-аас дээш халах, хөрөх циклыг 2%-иас бага байх тогтмол деформацийн үед тэсвэрлэж чаддаг бөгөөд энэ нь цөмийн энерги судалгаанд батлагдсан. Энэхүү тэсвэрт чанар нь өдөр бүр 800°C-аас дээш хэмжээтэй хэлбэлзэл үзүүлдэг металл халаах зууханд чухал ач холбогдолтой.
1,200°C температурт нержавейка шилэнгүүдийн уртсалт 12–15% байдаг бол керамик материалд зөвхөн 0.5–0.8% байдаг. Мөн керамикууд металлд тохиолддог гэнэт муудах, хэлбэрээ алдах эсвэл хайлж урсах зэрэг үзэгдлээс зайлсхийдэг. Мэдээллийн дагуу шилний хатууруулалтын шугамд керамик хамгаалалттай мэдрэгчүүд 8–10 жил ажилладаг бол металлын хамгаалалтай төхөөрөмжүүд зөвхөн 2–3 жил ажилладаг.
Алумин Al2O3 болон циркони ZrO2 шиг материалын хувьд хүчил, суурь, мөн 0.5-с 14 хүртэлх экстремаль pH түвшинд ч бусад уусгагчидад тэсвэртэй байдаг. Эдгээр керамик материалыг ийм ихээр тэсвэртэй болгож буй зүйл бол ионыг хөдөлгөөнд оруулах, коррозийг үүсгэхээс саатуулах хамгаалах гадаргуугийн давхаргыг үүсгэх чадвар юм. Үүнийг бодолцвол эдгээр нь бусад материалын харьцангуй богино хугацаанд задардаг химийн боловсруулалтын тоног төхөөрөмжид жил энэлэг ажиллах боломжтой гэсэн үг юм. Харин металлын сонголтууд руу анхаарлаа хандуулбал, ихэнх тохиолдолд металл нь ийм хатуу орчинд удаан хугацаанд ашиглах зориулалтаар байгуулагдаагүй. Шинжилгээний үр дүнгээр үзэхэд нийтлэг олон металийн хувьд ижил нөхцөлд 300-500 цагийн өртөлтийн дараа задралын шинж тэмдэг илэрдэг. Ийм учраас одоогоор олон инженерийн хэрэглээнд удаан хугацааны найдвартай ажиллагаа шаардлагатай үндсэн хэсгүүдэд керамик деталуудыг илүүд үздэг.
Сүүлийн судалгаанууд нь аж үйлдвэрийн идэвхит бодисуудад керамик хамгаалалтын гильзний илүү сайн бат бөх чанарыг онцолсон байдаг:
| Химийн нөлөөлөл | Алюминооксид (1,000 ц) | 316 Зэс төмөр (1,000 ц) | Массийн алдагдал (%) |
|---|---|---|---|
| 20% Хүхрийн хүчил | 0.03 | 12.7 | -98% металлаас бага |
| 50% Натрийн гидроксид | 0.01 | 8.2 | -99% металлаас бага |
| Хлорт органик уусгагч | 0.00 | 4.1 | -100% металлаас бага |
Эх сурвалж: Температур өндөртогт материалын сэтгүүл, 2023
Эдгээр үр дүнгээр химийн орчин өөрчлөгдөх pH болон галоген нэгдэл агуулсан орчинд керамикийн багаж тэсвэрт чанар, хатгааны коррозийн эсрэг тэсвэртэй байдагийг баталдаг.
Хэрэв 1,400 градусаас дээш халуун ажилладаг шилний цахилгаан хайлуурын ордны хувьд керамик хамгаалах хоолимог нь маш сайн ажиллана. Учир нь халахад бага тэлэгддэг, мөн орчны ямар ч бодистой химийн урвалд ордоггүй. Эдгээр хоолимог нь хайлсан шилэнд шууд байрлуулсан ч эсвэл гэмтэж задрахгүйгээр бүрхэвчийг нь хадгалж чаддаг тул бүтээгдэхүүнд хүссэнгүй бодисууд нэмэгдэхээс сэргийлдэг. Боловсруулалтын явцад шилний зунгаарын эсвэл нягтралын хэвийн байдлыг удирдахад нарийн цагаан температурын утгыг хэмжих нь маш чухал. Төгсгөлийн шилэн бүтээгдэхүүн чанарын стандартад нийцэж байх эсвэл хаягдах эсэх нь +5/-5 градусын жижиг өөрчлөлтөөс хамаарч болно.
Цементийн зууханд хэмжигч төхөөрөмжүүд 1,450°C температур, шүлтлэг уур, зовхийн жижиг хэсгүүдэд өртөмжтэй байдаг. Ийм нөхцөлд алюмино-цирконийн найрлагууд нь металлын хувилбаруудаас гурван дахин илүү үйлчилгээний хугацаатай бөгөөд эргэх зуухны орчинд засвар үйлчилгээний давтамжийг бууруулдаг. Тэдгээрийн нүхтэй бус бүтэц нь хэмжилтийн утгыг ивээн танишгүй болгох цементийн хуримтлалыг хуримтлах боломжийг ч мөн хориглодог.
Цэвэр алюмины хоолимог нь 1,600–1,800°C хүртэлх температуртай керамик зууханд хэмжээний тогтвортой байдлыг хадгалж, 5,000 циклд ±2°C нарийвчлалыг хангахын зэрэгцээ хэмжигчийн утгын хазайлтыг сааталдаг. Металл дулааны боловсруулалтын зууханд керамик хоолимог нь металлын гильзүүдийн түгээмэл гэмтэл болдог карбюраци, исэлдэлтийг эсэргүүцдэг.
2023 оны 200 аж үйлдвэрийн газрын судалгаагаар өндөр халуунд ашигладаг металл хамгаалалтаас шилэнцэр хамгаалалт руу шилжих аж үйлдвэрийн 68% нь шилэнцрийн хувьд гэмтэл гарах хоорондын дундаж цагийг 40–60% нэмэгдүүлэх, мөн тогтвортой, дохионы шуугиан багатай IIoT системтэй нийцэх боломжийг олгоход оршино гэдгийг харуулсан.
Ихэнх аж үйлдвэрийн керамик хамгаалалтын гильзүүд нь сайн ажиллах болон санхүүгийн хувьд үр дүнтэй байдал хоорондын тэнцвэрийг олохын тулд алумин, циркон эсвэл янз бүрийн нийлмэл хольцуудад үндэслэдэг. 99.5%-ийн цэвэр алумин ихэвчлэн дулааны өргөлтийн коэффициент ойролцоогоор 8.1 x 10^-6 нэг хэмд байдаг тул дулааны хэлбэлзэлтэй цахилгаан халаагуурын дотор тогтвортой байдлаараа үйлчилдэг тул өдөр тутмын хэрэглээнд түгээмэл хэрэглэгддэг. Харин илүү хатуу нөхцөлд үйлдвэрлэгчид энгийн керамикаас гурван дахин сайн механик стрессийг эсэргүүцдэг, хувиргалтын бат бөхшөөлт гэж нэрлэгддэг онцгой чанартай цирконыг ашигладаг. Хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэл шаарддаг маш цэвэр орчинд олон компани одоогоор улам бүр ихэвчлэн улам бүр ихэвчлэн традицийн материалуудтай харьцуулахад бохирдуулагч бодисуудыг илүү бага нэвтрүүлдэг гибрид материал болох алумин болон цахилгаан борын хольцыг илүүд үздэг.
| Чадвар | Эрдэнэ | Циркон |
|---|---|---|
| Хатуулаг (Виккерс) | 15–19 ГПа | 12 ГПа |
| Хамгийн их ажиллагааны температур | 1,750°C | 2,400°C |
| Дулааны хүчний эсэргүүцэл | Дунд шатны | Сайн чанар |
| Химиа хамгаалалттай | Хүчтэй хүчилд тэсвэртэй | Шүлтний уусмалын тогтвортой байдал |
2024 оны материалын шинжилгээний дагуу цирконийн фазын тогтвортой байдал нь 1,100°C-аас дээш температурт цахилгаан станцад илүү тохиромжтой байдаг бол аллюмин нь 900°C-аас доош температурт химийн боловсруулалтанд харьцангуй хямд сонголт юм.
Дэвшилтэт материал дээрх судлаачид редкийн элементийн исэлтэй хольсон алумин цирконийн нийлмэл материалыг үүсгэж эхэлсэн. Эдгээр шинэ материалыг ашигласнаар 5000-аас дээш дулааны циклд тэсвэртэй зууралт үүсгэх боломжтой бөгөөд энэ нь одоо зах зээл дээр байгаа стандарт керамик материалаас ойролцоогоор 70%-иар илүү үр дүнтэй гэж үзэж байна. Нөгөө нэг амжилт нь pH-ийн 1-14 хүртэлх бүх спектрт 98% чийрэгжлийн эсэргүүцэл үзүүлсэн цахиур нитридээр баталгаажуулсан хувилбар юм. Үүний өмнө нь ялангуяа бохир усны цэвэрлэх төвүүдэд томоохон асуудал учруулдаг байсан. Дулааны системийн технологид онцлон судалдаг мэргэжилтнүүдийн мэдээлснээр, дэлхийн дижитал хэмжигчийн 35% хэрэглээнд эдгээр нийлмэл керамик хамгаалалтын гадас ойролцоогоор дундаж жилийн хагас үед нэвтрэн орох болно.
EN
