Индустријски сензори морају да раде у прилично тешким условима, мислите на топљен метал на температури око 1.750 степени Целзијуса или унутар хемијских фабрика где ствари постају веома интензивне. За заштиту ових сензора, керамичке цеви се често користе као примарни штит против оштећења. Ове цеви су обично направљене од материјала као што су алумино- или цирконијски композити који могу да се носе са екстремном топлотом без разлагања и неће хемијски реаговати са већином супстанци. Оно што керамику разликује од метала јесте њихова способност да задржава свој облик чак и након што прође кроз безброј циклуса загревања и хлађења. То значи мање дрейфања у сензорским подацима јер се не шире и не се сузирају толико као метал. Према недавним истраживањима објављеним 2023. године о трајности материјала, прелазак са обвијева од нерђајућег челика на керамичке цеви смањио је замену сензора за око две трећине само у стакленим пећима.
Када је у питању излагање екстремним променама температуре, керамичке цеви су далеко боље од већине конвенционалних материјала, нарочито када су у питању брзе промене од 200 степени целзијуса по минути или више, што заиста довође компоненте под напон и доводи до формирања пукотина. Тајну делом чине и њихова својства топлотног ширења. Узмимо, на пример, алуминијумску керамику – она се шири око 8,6 микрометара по метру по степену целзијуса, што је знатно испод 17,3 које има стандардни нерђајући челик 316. То значи да се керамички делови много мање замаре услед сталног загревања и хлађења. Истраживања која су испитивала како се ови материјали показују током времена открила су нешто изузетно импресивно код цеви заснованих на цирконијуму. Доказано је да могу издржати више од 5.000 потпуних термичких циклуса, од врелине од 1.200 степени па све до собне температуре од 25 степени, без икаквих знакова хабања. Таква издржљивост чини их одличним кандидатима за употребу у индустријским условима као што су пећи и термичке обраде где се ствари стално загревају, а затим поново и поново хладе.
U hemijskim postrojenjima i pogonima za spaljivanje otpada, keramičke cevi izdržavaju ekstremne uslove uključujući:
Studije o otpornosti na koroziju potvrđuju da keramička zaštita produžava vek trajanja senzora 3–5 puta u petrohemijskim sredinama u poređenju sa polimerom premašićnim metalnim omotačima.
Керамичке заштитне цеви могу подносити температуре до око 1.600 степени Celzijusovih током континуираног рада, а неке напредније композитне верзије су тестирани и преко 2.000 степени према недавним студијама о материјалима за високе температуре. Полимери су сасвим другачији — они почињу да се разлажу чим температура пређе око 300 степени. Глинени керамички материјали врло мало експандирају — заправо мање од 1 процента линеарно чак и на 1.200 степени Целзијусових. А затим има још цирконијум диоксида који је изузетан јер може издржати термичке промене веће од 500 степени по минуту без пуцања. Ове карактеристике чине керамику веома вредном у екстремним условима где би други материјали једноставно не опстали.
Kovalentne veze u keramici obezbeđuju izuzetnu otpornost na termičku zamornost. Cevi od karbida silicijuma izdržavaju više od 15.000 ciklusa zagrevanja i hlađenja između 200°C i 1.400°C sa manje od 2% trajne deformacije, što je potvrđeno u istraživanjima materijala za nuklearnu energiju. Ova izdržljivost od suštinskog je značaja u pećima za termičku obradu metala, gde dnevne fluktuacije često premašuju 800°C.
Na 1.200°C, ovojnice od nerđajućeg čelika se šire za 12–15%, dok se keramičke ovojnice šire samo za 0,5–0,8%. Keramika takođe izbegava naglo otkazivanje poput izobličenja ili topljenja koje se vidi kod metala. Podaci iz industrije pokazuju da senzori zaštićeni keramikom u linijama za kaljenje stakla traju 8–10 godina, znatno duže nego jedinice sa metalnom zaštitom koje traju 2–3 godine.
Материјали као што су алумина Al2O3 и цирконија ZrO2 показују изузетну отпорност на киселине, базе и разне раствараче, чак и на екстремним нивоима pH-а, од око 0,5 све до 14. Оно што чини ове керамике толико издржљивим је њихова способност да стварају заштитне површинске слојеве који у суштини спречавају јоне да се крећу и изазивају корозију. То значи да могу правилно функционисати годинама у погонима за хемијску обраду где би се други материјали много брже распадали. А како је положај са металним опцијама? Па, већина метала једноставно није направљена да траје у овако непријатним условима. Тестови су показали да многи уобичајени метали почињу да показују знакове квара након само 300 до 500 сати излагања сличним корозивним условима. Због тога све више индустријских примена данас зависи од керамичких компоненти за критичне делове који захтевају дуготрајну поузданост.
Nedavne studije ističu superiornu izdržljivost keramičkih zaštitnih cevi u industrijskim korozivima:
| Химијска излагања | Aluminijum oksid (1.000 h) | nerđajući čelik 316 (1.000 h) | Gubitak mase (%) |
|---|---|---|---|
| 20% sumporna kiselina | 0.03 | 12.7 | -98% u odnosu na metal |
| 50% natrijum hidroksid | 0.01 | 8.2 | -99% u odnosu na metal |
| Hlorirani rastvarači | 0.00 | 4.1 | -100% u odnosu na metal |
Izvor: Časopis za materijale na visokim temperaturama, 2023
Ови резултати истичу способност керамике да отпорно делује на пићење и напонско корозијско пуцање у срединама са флуктуирајућим pH и халогеним једињењима.
Церамичке заштитне цеви изузетно добро функционишу у стакларским пећима које раде на температурама вишој од 1.400 степени Целзијуса, јер се врло мало шире при загревању и не улазе у хемијске реакције са било чиме у својој околини. Ове цеви остају неповређене чак и када се ставе директно у течно стакло, без распадања или оштећења, чиме се спречава мешање нежељених материјала у коначни производ. Прецизно мерење температуре има велики значај за контролу реолошких особина стакла током обраде. Чак и мале промене од плус-минус 5 степени могу бити одлучујуће да ли ће готови производи од стакла задовољити стандарде квалитета или бити одбачени.
Peći za spaljivanje cementa izlažu senzore temperaturama od 1.450 °C, alkalnim parama i abrazivnim česticama klinkera. Kompoziti na bazi aluminijum-cestica imaju tri puta duži vek trajanja u odnosu na metalne alternative u ovim uslovima, smanjujući učestalost održavanja u okretnim pećima. Njihova nepropusna struktura takođe sprečava taloženje cementnih naslaga koje bi mogle poremetiti merenja.
Cevi od visokočiste aluminijumske keramike održavaju dimenzionu stabilnost u keramičkim pećima za paljenje koje dosežu temperature od 1.600–1.800 °C, sprečavajući odstupanje senzora i osiguravajući tačnost od ±2 °C tokom 5.000 ciklusa. U pećima za termičku obradu metala, keramičke cevi otporni su na karburaciju i luštenje — uobičajene uzroke kvarova metalnih omotača.
Истраживање из 2023. године, које је обухватило 200 индустријских погонa, показало је да 68% прелази са металне на керамичку заштиту сензора у применама са високим температурама. Кључни разлози су повећање средњег времена између кварова за 40–60% и компатibilност са системима IIoT који захтевају стабилне сигнале са ниским шумом.
Већина индустријских заштитних цеви од керамике ослања се на материјале попут алуминијума, цирконијума или разне композитне смеше како би постигла деликатну равнотежу између онога што добро функционише и онога што има финансијску исплативост. Варијанта алуминијума чистоће 99,5% остаје популарна за свакодневну употребу због своје стабилности при променама температуре унутар пећи, што је последица коефицијента топлотног ширења од око 8,1 x 10^-6 по степени Целзијуса. Када су услови изузетно напорни, произвођачи се окрећу цирконијуму који на неки начин отпира ломљење под напоном око три пута боље од обичне керамике, заслужујући специјалну особину познату као отврдњавање трансформацијом. За оне врло чисте услове потребне у производним линијама полупроводника, многи предузећа данас преферирају карбид силицијума помешан са алуминијумом, јер ови хибридни материјали не дозвољавају контаминантима да пролазе тако лако као што то чине традиционални материјали.
| Имовина | Алумина | Цирконија |
|---|---|---|
| Тврдоћа (Викерс) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Макс. радна температура | 1.750°C | 2.400°C |
| Отпорност на топлотне ударе | Умерено | Одлично. |
| Химијска отпорност | Otpornost na jake kiseline | Stabilnost u alkalnim rastvorima |
Analize materijala iz 2024. godine ukazuju da stabilnost cirkonijeve faze iznad 1.100°C čini je pogodnijom za termoelektrane na ugalj, dok aluminijum ostaje ekonomičniji izbor za hemijsku obradu ispod 900°C.
Истраживачи који раде на напредним материјалима започели су стварање композита алумина-цирконија помешаних са оксидима ретких земаља. Ови нови материјали дају цеви способне да издрже више од 5.000 термалних циклуса, што представља око 70% боље перформансе у односу на стандардне керамичке опције тренутно доступне. Још један пробој долази од верзија појачаних силикон нитридом које показују импресивних 98% отпорности против корозије у читавом pH спектру од 1 до 14, нешто што је раније представљало велики проблем посебно за фабрике за прераду отпадних вода. Прогнозе тржишта указују да ови композитни керамички заштитни цевови могу заузети приближно 35% индустријских сензорских апликација широм света до средине деценије, као што су извештавали експерти специјализовани за технологије термалних система.
EN
