Промышленные датчики должны работать в довольно жестких условиях — например, в среде расплавленного металла с температурой около 1750 градусов Цельсия или внутри химических производственных установок, где условия эксплуатации чрезвычайно тяжелые. Для защиты таких датчиков керамические трубки часто используются в качестве основного барьера от повреждений. Обычно эти трубки изготавливаются из таких материалов, как композиты на основе оксида алюминия или оксида циркония, которые способны выдерживать экстремальные температуры без разрушения и не вступают в химические реакции с большинством веществ. Главное преимущество керамики по сравнению с металлами заключается в её способности сохранять форму даже после множества циклов нагрева и охлаждения. Это означает меньший дрейф показаний датчиков, поскольку керамика расширяется и сжимается в меньшей степени, чем металл. Согласно недавним исследованиям, опубликованным в 2023 году, посвящённым долговечности материалов, переход с оболочек из нержавеющей стали на керамические трубки позволил сократить количество замен датчиков примерно на две трети только в стекловаренных печах.
Когда речь заходит о перепадах экстремальных температур, керамические трубки превосходят большинство традиционных материалов, особенно при быстрых изменениях температуры на 200 градусов Цельсия в минуту и более, которые сильно нагружают компоненты и приводят к образованию трещин. Отчасти секрет заключается в их свойствах теплового расширения. Например, оксид алюминия расширяется примерно на 8,6 микрометра на метр на градус Цельсия, что значительно ниже показателя 17,3 у стандартной нержавеющей стали 316. Это означает, что керамические детали не так сильно устают от многократного нагрева и охлаждения. Исследования долговечности этих материалов выявили впечатляющие результаты именно для трубок на основе циркония. Было установлено, что они способны выдерживать более 5000 полных термоциклов — от обжигающей температуры в 1200 градусов до комнатной температуры в 25 градусов — без каких-либо признаков износа. Такая прочность делает их идеальными кандидатами для использования в промышленных условиях, например, в печах и установках термической обработки, где материалы постоянно подвергаются многократному нагреву и охлаждению.
На химических заводах и установках сжигания отходов керамические трубки выдерживают суровые условия, включая:
Исследования устойчивости к коррозии подтверждают, что применение керамической защиты увеличивает срок службы датчиков в 3–5 раз на объектах нефтехимии по сравнению с полимерным покрытием металлических оболочек.
Керамические защитные трубы способны выдерживать температуры до примерно 1600 градусов Цельсия при непрерывной работе, а некоторые передовые композитные версии, по данным недавних исследований высокотемпературных материалов, испытывались при температурах свыше 2000 градусов. Полимеры же совершенно ины — они начинают разрушаться уже при температурах выше 300 градусов. Оксид алюминия в керамике расширяется очень незначительно — менее чем на 1 процент линейно даже при 1200 градусах Цельсия. А затем идёт цирконий, который поражает своими свойствами: он способен выдерживать изменения температуры более чем на 500 градусов в минуту без растрескивания. Эти свойства делают керамику чрезвычайно ценной в экстремальных условиях, где другие материалы просто не прослужили бы.
Ковалентная связь в керамике обеспечивает исключительную устойчивость к термической усталости. Трубки из карбида кремния выдерживают более 15 000 циклов нагрева и охлаждения в диапазоне от 200 °C до 1400 °C с остаточной деформацией менее 2%, что подтверждено исследованиями материалов в ядерной энергетике. Такая долговечность необходима в печах для термообработки металлов, где ежедневные колебания температуры часто превышают 800 °C.
При температуре 1200 °C оболочки из нержавеющей стали расширяются на 12–15%, тогда как керамика — всего на 0,5–0,8%. Керамика также избегает внезапных видов разрушения, таких как коробление или плавление, характерных для металлов. Данные отраслевых исследований показывают, что датчики с керамической защитой в линиях закалки стекла служат 8–10 лет — значительно дольше, чем 2–3 года у устройств с металлическим экраном.
Материалы, такие как глинозем Al2O3 и циркония ZrO2, демонстрируют выдающуюся устойчивость к кислотам, щелочам и различным растворителям даже при экстремальных значениях pH — от примерно 0,5 до 14. Прочность этих керамических материалов обусловлена их способностью образовывать защитные поверхностные слои, которые фактически препятствуют перемещению ионов и возникновению коррозии. Это позволяет им надежно работать в течение многих лет на химических производствах, где другие материалы разрушились бы значительно быстрее. Что касается металлических вариантов? Большинство металлов просто не рассчитаны на длительную эксплуатацию в таких агрессивных условиях. Испытания показали, что многие распространённые металлы начинают проявлять признаки разрушения уже через 300–500 часов воздействия аналогичных коррозионных сред. Именно поэтому во всё большем числе промышленных применений теперь используются керамические компоненты для критически важных деталей, требующих долгосрочной надёжности.
Недавние исследования подчеркивают превосходную долговечность керамических защитных труб в промышленных агрессивных средах:
| Воздействие химических веществ | Глинозем (1000 ч) | нержавеющая сталь 316 (1000 ч) | Потеря массы (%) |
|---|---|---|---|
| 20% серной кислоты | 0.03 | 12.7 | -98% по сравнению с металлом |
| 50% гидроксид натрия | 0.01 | 8.2 | -99% по сравнению с металлом |
| Хлорированные растворители | 0.00 | 4.1 | -100% по сравнению с металлом |
Источник: Журнал материалов для высоких температур, 2023
Эти результаты подчеркивают способность керамики противостоять питтинговой и коррозионной трещинам в условиях колеблющегося pH и наличия галогеновых соединений.
Керамические защитные трубки отлично работают в стекловаренных печах, работающих при температуре выше 1400 градусов Цельсия, поскольку они практически не расширяются при нагревании и не вступают в химическую реакцию с окружающими веществами. Эти трубки сохраняют целостность, даже когда их помещают непосредственно в расплавленное стекло, не разрушаясь и не повреждаясь, что предотвращает попадание посторонних материалов в конечный продукт. Точное измерение температуры имеет большое значение для контроля текучести или вязкости стекла в процессе обработки. Даже незначительные изменения на плюс-минус 5 градусов могут стать решающими факторами, определяющими, будут ли готовые изделия из стекла соответствовать стандартам качества или будут забракованы.
Цементные печи подвергают датчики воздействию температур до 1450 °C, щелочных паров и абразивных частиц клинкера. Композиты на основе оксида алюминия и циркония обеспечивают срок службы, превышающий в три раза аналогичный показатель металлических материалов в таких условиях, что снижает частоту технического обслуживания во вращающихся печах. Их непроницаемая структура также предотвращает образование цементных отложений, которые могут исказить показания.
Трубки из высокочистого оксида алюминия сохраняют размерную стабильность в керамических обжиговых печах при температурах 1600–1800 °C, предотвращая дрейф датчиков и обеспечивая точность ±2 °C в течение 5000 циклов. В печах для термообработки металлов керамические трубки устойчивы к карбюризации и образованию окалины — распространённым причинам выхода из строя металлических оболочек.
Опрос 2023 года среди 200 промышленных предприятий показал, что 68% из них переходят от металлической к керамической защите датчиков в условиях высоких температур. Основные причины — увеличение среднего времени между отказами на 40–60% и совместимость с системами IIoT, требующими стабильных сигналов с низким уровнем шума.
Большинство промышленных керамических защитных труб изготавливаются из таких материалов, как глинозём, циркония или различные композитные смеси, чтобы достичь труднодостижимого баланса между эффективностью и экономической целесообразностью. Вариант из 99,5% чистого глинозёма остаётся популярным для повседневного применения благодаря высокой стабильности при колебаниях температуры внутри печей, что обусловлено коэффициентом теплового расширения около 8,1 × 10^-6 на градус Цельсия. В экстремальных условиях производители переходят на цирконий, который благодаря особому свойству, называемому фазовым затормаживанием трещин, сопротивляется разрушению при механических нагрузках примерно в три раза лучше, чем обычные керамические материалы. Для сверхчистых условий, необходимых в производственных линиях полупроводников, многие компании теперь предпочитают карбид кремния в сочетании с глинозёмом, поскольку такие гибридные материалы не позволяют загрязнителям проникать так легко, как традиционные варианты.
| Свойство | Алюминий | Цирконий |
|---|---|---|
| Твёрдость (по Виккерсу) | 15–19 ГПа | 12 ГПа |
| Макс. рабочая температура | 1750 °C | 2400 °C |
| Сопротивляемость тепловым ударам | Умеренный | Отличный |
| Устойчивость к химическим веществам | Стойкость к сильным кислотам | Стабильность в щелочных растворах |
Анализы материалов за 2024 год показывают, что фазовая стабильность цирконии при температурах выше 1100 °C делает её более подходящей для угольных электростанций, тогда как глинозём остаётся экономически выгодным выбором для химической переработки при температурах ниже 900 °C.
Исследователи, работающие над передовыми материалами, начали создавать композиты из оксида алюминия и циркония, смешанные с редкоземельными оксидами. Эти новые материалы позволяют производить трубки, способные выдерживать более 5000 тепловых циклов, что на 70% лучше по сравнению со стандартными керамическими вариантами, доступными в настоящее время. Другой прорыв связан с модификациями нитрида кремния, которые демонстрируют впечатляющую устойчивость к коррозии — 98% — во всем диапазоне pH от 1 до 14, что ранее создавало серьезные проблемы, в частности, для установок по очистке сточных вод. По прогнозам рынка, композитные керамические защитные трубки могут занять около 35% промышленных применений датчиков по всему миру к середине десятилетия, как сообщают эксперты в области технологий тепловых систем.
EN
