Senzorii industriali trebuie să lucreze în condiții destul de dure, să ne gândim la metal topit la temperaturi de aproximativ 1750 de grade Celsius sau în interiorul unor uzine de prelucrare chimică unde lucrurile devin foarte intense. Pentru protejarea acestor senzori, tuburile de ceramică sunt adesea utilizate ca scut principal împotriva deteriorării. Aceste tuburi sunt de obicei fabricate din materiale precum alumina sau zirconia, care pot face față temperaturii extreme fără a se descompune și nu reacționează chimic cu majoritatea substanțelor. Ceea ce face ceramica să se deosebească de metale este capacitatea ei de a-şi păstra forma chiar şi după ce a trecut prin nenumărate cicluri de încălzire şi răcire. Asta înseamnă mai puţine derive în citirile senzoriilor, pentru că nu se extind şi se contractează la fel de mult ca metalul. Conform unor cercetări recente publicate în 2023 privind durabilitatea materialelor, trecerea de la învelișurile din oțel inoxidabil la tuburile din ceramică a redus înlocuirea senzorilor cu aproximativ două treimi numai în cuptoarele de sticlă.
Atunci când vine vorba despre gestionarea variațiilor extreme de temperatură, tuburile ceramice sunt superioare față de majoritatea materialelor convenționale, mai ales în cazul schimbărilor rapide de 200 de grade Celsius pe minut sau mai mult, care pun componente sub tensiune și duc la apariția crăpăturilor. Secretul constă în parte în proprietățile lor de dilatare termică. Luați, de exemplu, ceramica din alumină, care se extinde cu aproximativ 8,6 micrometri pe metru pe grad Celsius, mult sub valoarea de 17,3 întâlnită la oțelul inoxidabil standard 316. Acest lucru înseamnă că piesele ceramice nu suferă aceeași oboseală datorată încălzirii și răcirii repetate. Studiile care au analizat rezistența acestor materiale în timp au descoperit ceva impresionant despre tuburile pe bază de zirconiu în mod specific. S-a demonstrat că pot supraviețui peste 5.000 de cicluri termice complete, trecând de la o temperatură foarte ridicată de 1.200 de grade până la temperatura camerei de 25 de grade, fără să prezinte semne de uzură. O astfel de durabilitate le face candidați ideali pentru utilizare în medii industriale precum cuptoarele și instalațiile de tratament termic, unde componentele sunt încălzite și apoi răcite constant, din nou și din nou.
În uzinele chimice și instalațiile de incinerare a deșeurilor, tuburile ceramice rezistă unor condiții severe, inclusiv:
Studiile privind rezistența la coroziune confirmă faptul că protecția ceramică prelungește durata de viață a senzorilor de 3–5 ori în instalațiile petrochimice, comparativ cu manta metalelor acoperite cu polimer.
Tuburile ceramice de protecție pot suporta temperaturi până la aproximativ 1.600 de grade Celsius în regim continuu, iar unele versiuni compozite avansate au fost testate chiar și la valori peste 2.000 de grade, conform studiilor recente privind materialele refractare. Polimerii sunt complet diferiți, deoarece încep să se degradeze atunci când temperatura depășește aproximativ 300 de grade. Ceramicele pe bază de alumină se dilată foarte puțin, mai puțin de 1 procent liniar, chiar și la 1.200 de grade Celsius. Apoi există zirconiul, care este destul de uimitor deoarece poate rezista variațiilor termice de peste 500 de grade pe minut fără să se crăpeze. Aceste proprietăți fac ca materialele ceramice să fie atât de valoroase în mediile extreme, unde alte materiale pur și simplu nu ar rezista.
Legătura covalentă din ceramică oferă o rezistență excepțională la oboseala termică. Tuburile din carbura de siliciu rezistă la peste 15.000 de cicluri de încălzire-răcire între 200°C și 1.400°C cu o deformație permanentă de mai puțin de 2%, verificat în studii privind materialele pentru energia nucleară. Această durabilitate este esențială în cuptoarele pentru tratament termic al metalelor, unde fluctuațiile zilnice depășesc adesea 800°C.
La 1.200°C, mânecile din oțel inoxidabil se dilată cu 12–15%, în timp ce ceramica se dilată doar cu 0,5–0,8%. De asemenea, ceramica evită modurile de cedare bruscă, cum ar fi deformarea sau topirea, observate la metale. Datele din industrie arată că senzorii protejați cu ceramică în liniile de întărire a sticlei rezistă 8–10 ani, semnificativ mai mult decât cei 2–3 ani obținuți cu unitățile protejate cu metal.
Materiale precum alumină Al2O3 și zirconiu ZrO2 prezintă o rezistență remarcabilă la acizi, baze și diverse solvenți, chiar și la niveluri extreme de pH, de la aproximativ 0,5 până la 14. Ceea ce face aceste ceramice atât de durabile este capacitatea lor de a crea straturi superficiale protectoare care practic opresc ionii să se miște și să provoace coroziune. Acest lucru înseamnă că pot continua să funcționeze corespunzător ani de zile în instalații de procesare chimică, unde alte materiale s-ar degrada mult mai repede. Dacă analizăm variantele din metal? Ei bine, majoritatea metalelor nu sunt concepute să dureze în astfel de medii severe. Testele au arătat că multe metale obișnuite încep să manifeste semne de deteriorare după doar 300–500 de ore de expunere la condiții corozive similare. De aceea, numeroase aplicații industriale se bazează acum pe componente ceramice pentru piese critice care necesită fiabilitate pe termen lung.
Studiile recente subliniază durabilitatea superioară a tuburilor de protecție ceramice în agenți corozivi industriali:
| Expunerea la substanțe chimice | Alumină (1.000h) | oțel inoxidabil 316 (1.000h) | Pierdere de masă (%) |
|---|---|---|---|
| acid sulfuric 20% | 0.03 | 12.7 | -98% față de metal |
| hidroxid de sodiu 50% | 0.01 | 8.2 | -99% față de metal |
| Solvenți clorinați | 0.00 | 4.1 | -100% față de metal |
Sursa: Jurnalul Materialelor la Temperaturi Înalte, 2023
Aceste rezultate subliniază capacitatea ceramicilor de a rezista pitting-ului și fisurării prin coroziune sub tensiune în medii cu pH variabil și compuși halogeni.
Tuburile de protecție ceramice funcționează foarte bine în instalațiile de sticlă care funcționează la temperaturi mai mari de 1.400 de grade Celsius, deoarece se dilată foarte puțin la încălzire și nu reacționează chimic cu niciun material din jurul lor. Aceste tuburi rămân intacte chiar și atunci când sunt plasate direct în sticlă topită, fără să se spargă sau deteriora, ceea ce previne amestecarea unor materiale nedorite în produsul final. Obținerea unor măsurători exacte ale temperaturii este esențială pentru controlul vâscozității sticlei în timpul procesării. Chiar și mici variații de plus sau minus 5 grade pot face diferența între obținerea unor produse finite care respectă standardele de calitate sau respingerea acestora.
Cuptoarele pentru ciment expun senzorii la temperaturi de 1.450°C, vapori alcalini și particule abrazive de clinker. Compozitele din alumina-zirconia oferă o durată de viață de trei ori mai mare decât alternativele metalice în aceste condiții, reducând frecvența întreținerii în mediile cu cuptor rotativ. Structura lor neporoasă previne, de asemenea, depunerea de reziduuri cimentare care ar putea distorsiona măsurătorile.
Tuburile din alumina de înaltă puritate mențin stabilitatea dimensională în cuptoarele pentru arderea ceramică ce ating 1.600â1.800°C, prevenind deriva senzorului și asigurând o acuratețe de ±2°C pe peste 5.000 de cicluri. În cuptoarele pentru tratament termic al metalelor, tuburile ceramice rezistă carburării și descămării—fenomene comune de defectare pentru tecurile metalice.
Un sondaj din 2023 efectuat în 200 de instalații industriale a relevat că 68% dintre acestea trec de la protecția senzorilor metalici la cea ceramică în aplicațiile cu temperaturi ridicate. Factorii principali includ o creștere cu 40–60% a timpului mediu între defecțiuni și compatibilitatea cu sistemele IIoT care necesită semnale stabile și cu zgomot scăzut.
Majoritatea tuburilor de protecție din ceramică industrială se bazează pe materiale precum alumina, zirconia sau diverse amestecuri compozite pentru a obține acel echilibru dificil între ceea ce funcționează bine și ceea ce are sens din punct de vedere financiar. Varianta de alumina cu puritate de 99,5% rămâne populară pentru aplicațiile de zi cu zi datorită stabilității sale în fața fluctuațiilor de temperatură din interiorul cuptoarelor, datorită coeficientului său de dilatare termică de aproximativ 8,1 x 10^-6 pe grad Celsius. Atunci când condițiile devin foarte severe, producătorii apelează la zirconia, care reușește cumva să reziste fracturării sub stres de aproximativ trei ori mai bine decât ceramica obișnuită, datorită unei proprietăți speciale numită întărire prin transformare. Pentru acele medii extrem de curate necesare în liniile de producție a semiconductorilor, multe companii preferă acum carbura de siliciu amestecată cu alumina, deoarece aceste materiale hibride nu permit contaminanților să pătrundă la fel de ușor ca variantele tradiționale.
| Proprietate | Alumina | Circoniu |
|---|---|---|
| Duritate (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Temperatura maxima de functionare | 1.750°C | 2.400°C |
| Rezistența la șocuri termice | Moderat | Excelent |
| Rezistență la substanțe chimice | Rezistență la acizi puternici | Stabilitate în soluții alcaline |
Analizele materialelor din 2024 indică faptul că stabilitatea de fază a zirconiului peste 1.100°C îl face mai potrivit pentru centralele termice pe cărbune, în timp ce alumină rămâne opțiunea economică pentru prelucrarea chimică sub 900°C.
Cercetătorii care lucrează la materiale avansate au început să creeze compozite de alumină-zirconiu amestecate cu oxizi de pământuri rare. Aceste materiale noi rezultă în tuburi capabile să resiste la peste 5.000 de cicluri termice, ceea ce reprezintă aproximativ 70% performanță mai bună în comparație cu opțiunile ceramice standard disponibile în prezent. O altă realizare vine din versiunile întărite cu nitrid de siliciu, care demonstrează o rezistență impresionantă de 98% împotriva coroziunii pe întregul spectru de pH, de la 1 la 14, lucru care anterior a constituit o problemă majoră pentru instalațiile de tratare a apelor uzate în mod specific. Prognozele pieței sugerează că aceste tuburi protectiv compozite ceramice ar putea câștiga un loc în aproximativ 35% dintre aplicațiile industriale de senzori la nivel mondial până la mijlocul deceniei, conform specialiștilor în tehnologii ale sistemelor termice.
EN
