Priemyselné snímače musia pracovať za dosť náročných podmienok, napríklad pri roztavenom kovu s teplotami okolo 1 750 stupňov Celzia alebo vo vnútri chemických spracovateľských závodov, kde sú podmienky veľmi extrémne. Na ochranu týchto snímačov sa často používajú keramické rúrky ako primárny štít proti poškodeniu. Tieto rúrky sa zvyčajne vyrábajú z materiálov ako kompozity z oxidu hliníka alebo zirkónu, ktoré vydržia extrémne teploty bez rozpadu a nevstupujú do chemickej reakcie s väčšinou látok. To, čo odlišuje keramiku od kovov, je jej schopnosť zachovať si tvar aj po prechode neustálym striedaním ohrevu a chladenia. To znamená menšie kolísanie údajov snímača, pretože sa nerozširujú a nesmršťujú tak ako kovy. Podľa najnovších výskumov zverejnených v roku 2023 o trvanlivosti materiálov sa výmenou nerezových plášťov za keramické rúrky znížila výmena snímačov približne o dve tretiny len v sklárskych peciach.
Pokiaľ ide o výrazné kolísanie teplôt, keramické rúrky jednoznačne prevyšujú väčšinu bežných materiálov, najmä pri rýchlych zmenách teploty až 200 stupňov Celzia za minútu alebo viac, ktoré skutočne zaťažujú komponenty a vedú k vzniku trhlín. Tajomstvo čiastočne spočíva aj vo vlastnostiach tepelnej rozťažnosti. Vezmime si napríklad oxidhliníkovú keramiku – tá sa rozťahuje približne o 8,6 mikrometrov na meter a stupeň Celzia, čo je výrazne menej ako hodnota 17,3 u bežnej nerezovej ocele 316. To znamená, že keramické diely sa opakovaným ohrievaním a chladením unavia oveľa menej. Štúdie skúmajúce odolnosť týchto materiálov v priebehu času zistili niečo pôsobivo impozantné konkrétne o rúrkach na báze zirkónia. Dokázali, že vydržia viac ako 5 000 úplných tepelných cyklov, počas ktorých sa teplota mení zo žerave horúcej 1 200 stupňov až po izbovú teplotu 25 stupňov, bez akýchkoľvek známok opotrebenia. Takáto odolnosť ich robí ideálnymi kandidátmi pre použitie v priemyselných prostrediach, ako sú peci alebo zariadenia na tepelné spracovanie materiálov, kde sa veci opakovane neustále zohrievajú a ochladzujú.
V chemických závodoch a spaľovniach odpadu keramické rúrky odolávajú extrémnym podmienkam vrátane:
Štúdie koróznej odolnosti potvrdzujú, že keramická ochrana predlžuje životnosť snímačov o 3–5-krát v petrochemickom prostredí oproti polymérne povlakovaným kovovým objímkam.
Keramické ochranné trubice vydržia teploty až približne 1 600 stupňov Celzia pri nepretržitom prevádzkovom režime a niektoré pokročilé kompozitné verzie boli podľa najnovších štúdií o materiáloch odolných voči vysokým teplotám otestované až nad 2 000 stupňov. Polymermi je to úplne iné, tie sa začínajú rozkladať, akonáhle teplota prekročí približne 300 stupňov. Alumina-bazované keramiky sa rozpínajú veľmi málo – dokonca menej ako 1 percento lineárne, aj pri teplote 1 200 stupňov Celzia. A potom tu je ešte zirkónia, ktorá je pôsobivá tým, že vydrží tepelné zmeny nad 500 stupňov za minútu bez toho, aby praskla. Práve tieto vlastnosti robia keramiku tak cennou v extrémnych prostrediach, kde iné materiály by jednoducho nevydržali.
Kovalentné väzby v keramike zabezpečujú výnimočnú odolnosť voči tepelnému únavovému poškodeniu. Trubice z karbidu kremíka vydržia viac ako 15 000 cyklov ohrevu a chladenia medzi 200 °C a 1 400 °C s menej ako 2 % trvalou deformáciou, čo bolo overené v štúdiách materiálov pre jadrovú energetiku. Táto trvanlivosť je nevyhnutná pri tepelnom spracovaní kovov v peciach, kde denné kolísania teploty často presahujú 800 °C.
Pri teplote 1 200 °C sa plášte zo železného ocele rozťahujú o 12–15 %, zatiaľ čo keramika sa rozťahuje len o 0,5–0,8 %. Keramika tiež nevykazuje náhle poruchy, ako sú skrútenie alebo roztavenie, ktoré sa vyskytujú u kovov. Priemyselné údaje ukazujú, že snímače chránené keramikou v linkách na kalenie skla vydržia 8–10 rokov, čo je výrazne dlhšie v porovnaní s 2–3 rokmi dosiahnutými u jednotiek chránených kovom.
Materiály ako alumina Al2O3 a zirkónia ZrO2 vykazujú vynikajúcu odolnosť voči kyselinám, zásadám a rôznym rozpúšťadlám, a to dokonca pri extrémnych hodnotách pH od približne 0,5 až po 14. Tieto keramické materiály sú tak odolné vďaka schopnosti vytvárať ochranné povrchové vrstvy, ktoré efektívne zabraňujú pohybu iónov a tým aj korózii. To znamená, že môžu správne fungovať roky v chemických prevádzkach, kde by sa iné materiály rozpadli oveľa rýchlejšie. Ak sa pozrieme na kovové možnosti? Väčšina kovov jednoducho nie je navrhnutá tak, aby vydržala v takýchto náročných prostrediach. Testy ukázali, že mnohé bežné kovy začínajú prejavovať príznaky porúch už po 300 až 500 hodinách expozície podobným korozívnym podmienkam. Preto sa v mnohých priemyselných aplikáciách stále viac spoliehajú na keramické komponenty pre kritické časti, ktoré vyžadujú dlhodobú spoľahlivosť.
Nedávne štúdie zdôrazňujú vynikajúcu odolnosť keramických ochranných trubíc voči priemyselným koróznym látkam:
| Vplyv chemikálií | Alumina (1 000 h) | nerezová oceľ 316 (1 000 h) | Strata hmotnosti (%) |
|---|---|---|---|
| 20% sírová kyselina | 0.03 | 12.7 | -98 % oproti kovu |
| 50% hydroxid sodný | 0.01 | 8.2 | -99 % oproti kovu |
| Chlorované rozpúšťadlá | 0.00 | 4.1 | -100 % oproti kovu |
Zdroj: Časopis pre materiály pre vysoké teploty, 2023
Tieto výsledky zdôrazňujú schopnosť keramiky odolávať bodovému koroziu a koróznemu trhlinám spôsobeným napätím v prostrediach s kolísaním pH a prítomnosťou halogénových zlúčenín.
Keramické ochranné rúrky sa veľmi dobre osvedčili v sklárskych peciach, ktoré pracujú pri teplotách vyšších ako 1 400 stupňov Celzia, pretože sa pri zahrievaní veľmi málo rozťahujú a chemicky nereagujú s okolitými látkami. Tieto rúrky zostávajú nepoškodené, aj keď sú umiestnené priamo do roztaveného skla, bez rozpadu alebo poškodenia, čím sa zabráni nežiaducemu znečisteniu konečného výrobku. Presné meranie teploty je veľmi dôležité pre riadenie tekutosti alebo viskozity skla počas spracovania. Už malé odchýlky o plus alebo mínus 5 stupňov môžu rozhodnúť o tom, či hotové výrobky zo skla spĺňajú kvalitatívne normy, alebo budú odmietnuté.
Cementové peci vystavujú snímače teplotám až 1 450 °C, alkalickým param a abrazívnym časticiam klinkeru. Kompozity na báze aluminovo-církoniových materiálov ponúkajú trojnásobnú životnosť oproti kovovým alternatívam za týchto podmienok, čím znižujú frekvenciu údržby vo rotujúcich prostrediach pecí. Ich nepriepustná štruktúra tiež zabraňuje hromadeniu cementových nánosov, ktoré by mohli skresľovať merania.
Trubice z vysokočistej aluminy zachovávajú rozmernú stabilitu v keramických peciach pri teplotách dosahujúcich 1 600–1 800 °C, čím zabraňujú driftu snímačov a zaisťujú presnosť ±2 °C počas 5 000 cyklov. V peciach na tepelné spracovanie kovov keramické trubice odolávajú karburácii a ošupovaniu – bežným príčinám porúch kovových plášťov.
Prieskum z roku 2023, ktorého sa zúčastnilo 200 priemyselných závodov, odhalil, že 68 % z nich prechádza z kovovej na keramickú ochranu snímačov v aplikáciách s vysokou teplotou. Hlavnými dôvodmi sú o 40–60 % vyšší priemerný čas medzi poruchami a kompatibilita so systémami IIoT, ktoré vyžadujú stabilné signály s nízkym šumom.
Väčšina priemyselných keramických ochranných trubíc sa spolieha na materiály ako je alumína, zirkónia alebo rôzne kompozitné zmesi, aby dosiahli ten ťažko uchopiteľný kompromis medzi tým, čo dobre funguje, a tým, čo dáva finančný zmysel. Variant alumíny s čistotou 99,5 % zostáva obľúbený pre bežné aplikácie vďaka svojej stabilite pri kolísaní teplôt vo vnútri pecí, čo je dané koeficientom tepelnej rozťažnosti okolo 8,1 x 10^-6 na stupeň Celzia. Keď sú podmienky naozaj náročné, výrobcovia sa obracajú k zirkónii, ktorá dokáže odolávať lomu pri zaťažení približne trikrát lepšie ako bežné keramiky, a to vďaka špeciálnemu javu nazývanému transformačné zpevnenie. Pre tie najčistejšie prostredia potrebné v polovodičových výrobných linkách si mnohé spoločnosti teraz uprednostňujú karbid kremíka zmiešaný s aluminou, keďže tieto hybridné materiály nedovoľujú nečistotám tak ľahko prenikať ako tradičné možnosti.
| Nehnuteľnosť | Alumíniovú | Cirkónia |
|---|---|---|
| Tvrdosť (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maximálna prevádzková teplota | 1 750 °C | 2 400 °C |
| Odolnosť voči tepelnému šoku | Mierne | Výborne |
| Chemická odolnosť | Vysoká odolnosť voči kyselinám | Stabilita voči zásaditým roztokom |
Analýzy materiálov z roku 2024 uvádzajú, že fázová stabilita oxidu zirkoničitého nad 1 100 °C ho robí vhodnejším pre uhlové elektrárne, zatiaľ čo oxid hlinitý zostáva ekonomickou voľbou pre chemické spracovanie pod 900 °C.
Výskumníci pracujúci na pokročilých materiáloch začali vytvárať kompozity oxidu hlinitého a zirkónia zmiešané s oxidmi zriedkavých zemín. Tieto nové materiály vedú k výrobe trubíc, ktoré vydržia viac ako 5 000 tepelných cyklov, čo predstavuje približne o 70 % lepší výkon v porovnaní so štandardnými keramickými možnosťami, ktoré sú momentálne dostupné. Ďalší prelom prinášajú verzie zosilnené dusičnanom kremíka, ktoré vykazujú pôsobivú odolnosť proti korózii vo všetkých hodnotách pH od 1 do 14, pričom doteraz to predstavovalo veľký problém najmä pre čističky odpadových vôd. Trhové prognózy naznačujú, že tieto kompozitné keramické ochranné trubice by mohli zaujať približne 35 % priemyselných senzorických aplikácií po celom svete do polovice desaťročia, ako uvádzajú odborníci špecializujúci sa na technológie tepelných systémov.
EN
