เซนเซอร์อุตสาหกรรมจำเป็นต้องทำงานในสภาวะที่ค่อนข้างรุนแรง เช่น ในบริเวณที่มีโลหะหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 1,750 องศาเซลเซียส หรือภายในโรงงานแปรรูปสารเคมีที่สภาพแวดล้อมเข้มข้นมาก เพื่อปกป้องเซนเซอร์เหล่านี้ มักใช้ท่อเซรามิกเป็นเกราะป้องกันหลักจากความเสียหาย ท่อเหล่านี้โดยทั่วไปทำจากวัสดุเช่น อลูมินา หรือคอมโพสิตเซอร์โคเนีย ซึ่งสามารถทนต่อความร้อนสูงได้โดยไม่เสื่อมสภาพ และไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับสารส่วนใหญ่ สิ่งที่ทำให้เซรามิกโดดเด่นเมื่อเทียบกับโลหะ คือ ความสามารถในการคงรูปร่างไว้ได้แม้จะผ่านกระบวนการให้ความร้อนและเย็นตัวซ้ำแล้วซ้ำเล่า ซึ่งหมายความว่าการอ่านค่าจากเซนเซอร์จะมีความคลาดเคลื่อนน้อยลง เนื่องจากเซรามิกไม่ขยายตัวหรือหดตัวมากเท่ากับโลหะ ตามงานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในปี 2023 เกี่ยวกับความทนทานของวัสดุ การเปลี่ยนจากปลอกสแตนเลสสตีลมาเป็นท่อเซรามิก ช่วยลดการเปลี่ยนเซนเซอร์ลงได้ประมาณสองในสามเฉพาะในเตาผลิตแก้วเท่านั้น
เมื่อพูดถึงการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง หลอดเซรามิกสามารถเอาชนะวัสดุทั่วไปส่วนใหญ่ได้อย่างขาดลอย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วถึง 200 องศาเซลเซียสต่อนาที หรือมากกว่านั้น ซึ่งเป็นสภาวะที่สร้างความเครียดให้กับชิ้นส่วนและนำไปสู่การเกิดรอยแตกร้าว ความลับบางส่วนอยู่ที่คุณสมบัติการขยายตัวจากความร้อนของวัสดุ เช่น เซรามิกอลูมินา ซึ่งมีอัตราการขยายตัวประมาณ 8.6 ไมโครเมตรต่อเมตรต่อองศาเซลเซียส ต่ำกว่าตัวเลข 17.3 ที่พบในสแตนเลสสตีลเกรด 316 ทั่วไป หมายความว่าชิ้นส่วนเซรามิกไม่เกิดความเหนื่อยล้าจากการขยายและหดตัวซ้ำๆ จากการให้ความร้อนและทำให้เย็นลง การศึกษาที่วิเคราะห์ความทนทานของวัสดุเหล่านี้ในระยะยาว พบข้อเท็จจริงที่น่าประทับใจเกี่ยวกับหลอดที่ทำจากเซรามิกส์เซอร์โคเนีย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พบว่าสามารถใช้งานได้มากกว่า 5,000 รอบเต็มของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ จากระดับร้อนจัดที่ 1,200 องศา ลงไปจนถึงอุณหภูมิห้องที่ 25 องศา โดยไม่แสดงอาการเสื่อมสภาพใดๆ ความทนทานระดับนี้ทำให้วัสดุดังกล่าวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม เช่น เตาเผา (kilns) และเตาอบอบอุณหภูมิสูง ที่ต้องมีการให้ความร้อนแล้วทำให้เย็นลงซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง
ในโรงงานเคมีและเตาเผาขยะ หลอดเซรามิกสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ได้แก่
การศึกษาความต้านทานการกัดกร่อนยืนยันว่า การป้องกันด้วยเซรามิกยืดอายุการใช้งานของเซนเซอร์ได้ยาวนานขึ้น 3–5 เท่า ในสภาพแวดล้อมปิโตรเคมี เมื่อเทียบกับเปลือกโลหะเคลือบพอลิเมอร์
หลอดป้องกันเซรามิกสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึงประมาณ 1,600 องศาเซลเซียสเมื่อทำงานอย่างต่อเนื่อง และในบางรุ่นคอมโพสิตขั้นสูงนั้นผ่านการทดสอบจนเกิน 2,000 องศาตามการศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับวัสดุทนความร้อนสูง ขณะที่พอลิเมอร์นั้นแตกต่างโดยสิ้นเชิง เพราะจะเริ่มเสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 300 องศาเซลเซียส เซรามิกชนิดแอลูมินาขยายตัวเพียงเล็กน้อยมาก จริงๆ แล้วน้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์แบบเชิงเส้น แม้ที่อุณหภูมิ 1,200 องศาเซลเซียส และยังมีเซรามิกชนิดไซโบรเนียที่น่าประทับใจมาก เพราะสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้มากกว่า 500 องศาต่อนาทีโดยไม่แตกร้าว คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้วัสดุเซรามิกมีคุณค่าอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว ที่วัสดุอื่นๆ จะไม่สามารถใช้งานได้นาน
พันธะโควาเลนต์ในเซรามิกส์ทำให้มีความต้านทานต่อการสึกหรอจากความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม ท่อซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถทนต่อรอบการให้ความร้อนและการทำให้เย็นลงมากกว่า 15,000 รอบ ในช่วงอุณหภูมิ 200°C ถึง 1,400°C โดยมีการเปลี่ยนรูปถาวรน้อยกว่า 2% ซึ่งได้รับการยืนยันจากงานศึกษาวัสดุในอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ ความทนทานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในเตาอบบำบัดความร้อนโลหะ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิรายวันมักเกิน 800°C
ที่อุณหภูมิ 1,200°C เปลือกสแตนเลสจะขยายตัว 12–15% ในขณะที่เซรามิกส์ขยายตัวเพียง 0.5–0.8% เท่านั้น เซรามิกส์ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการล้มเหลวอย่างฉับพลัน เช่น การบิดงอหรือการหลอมเหลว ซึ่งพบได้ในโลหะ ข้อมูลจากอุตสาหกรรมระบุว่า เซนเซอร์ที่ป้องกันด้วยเซรามิกส์ในสายการอบกระจกสามารถใช้งานได้นาน 8–10 ปี ซึ่งนานกว่าหน่วยที่ใช้โลหะป้องกันซึ่งใช้งานได้เพียง 2–3 ปี
วัสดุเช่น อลูมินา Al2O3 และเซอร์โคเนีย ZrO2 มีความต้านทานต่อกรด เบส และตัวทำละลายต่างๆ ได้อย่างโดดเด่น แม้ในระดับ pH สุดขั้วตั้งแต่ประมาณ 0.5 ไปจนถึง 14 สิ่งที่ทำให้เซรามิกเหล่านี้มีความทนทานมากคือความสามารถในการสร้างชั้นผิวป้องกันที่แทบจะหยุดการเคลื่อนที่ของไอออนซึ่งเป็นสาเหตุของการกัดกร่อน หมายความว่าพวกมันสามารถทำงานได้อย่างเหมาะสมเป็นเวลานานหลายปีในสถานที่ผลิตทางเคมี ที่ซึ่งวัสดุอื่นๆ จะเสื่อมสภาพเร็วกว่านั้นมาก หากพิจารณาวัสดุประเภทโลหะแทนล่ะ? โดยทั่วไปแล้ว โลหะส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเช่นนี้ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าโลหะทั่วไปหลายชนิดเริ่มแสดงอาการเสียหายหลังจากการสัมผัสกับสภาวะกัดกร่อนในลักษณะเดียวกันเพียง 300 ถึง 500 ชั่วโมง นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมจำนวนมากจึงพึ่งพาชิ้นส่วนเซรามิกสำหรับชิ้นส่วนสำคัญที่ต้องการความน่าเชื่อถือในระยะยาว
การศึกษาล่าสุดชี้ให้เห็นถึงความทนทานที่เหนือกว่าของหลอดป้องกันเซรามิกในสารกัดกร่อนอุตสาหกรรม:
| การสัมผัสสารเคมี | อลูมินา (1,000 ชั่วโมง) | สแตนเลส 316 (1,000 ชั่วโมง) | การสูญเสียมวล (%) |
|---|---|---|---|
| กรดซัลฟิวริก 20% | 0.03 | 12.7 | -98% เทียบกับโลหะ |
| โซเดียมไฮดรอกไซด์ 50% | 0.01 | 8.2 | -99% เทียบกับโลหะ |
| ตัวทำละลายคลอรีน | 0.00 | 4.1 | -100% เทียบกับโลหะ |
ที่มา: วารสารวัสดุทนความร้อนสูง, 2023
ผลลัพธ์เหล่านี้เน้นย้ำถึงความสามารถของเซรามิกในการต้านทานการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและการแตกร้าวจากความเครียดในสภาวะแวดล้อมที่มีค่าความเป็นกรด-เบสเปลี่ยนแปลงและมีสารประกอบฮาโลเจน
ท่อป้องกันเซรามิกทำงานได้ดีมากในเตาผลิตแก้วที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,400 องศาเซลเซียส เพราะมีการขยายตัวน้อยมากเมื่อได้รับความร้อน และไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสิ่งใดรอบตัว ท่อเหล่านี้ยังคงอยู่ในสภาพสมบูรณ์แม้จะนำไปใส่โดยตรงในแก้วที่อยู่ในสถานะหลอมเหลว โดยไม่แตกหรือเสียหาย ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้วัสดุที่ไม่ต้องการปนเปื้อนเข้าไปในผลิตภัณฑ์สุดท้าย การวัดอุณหภูมิอย่างแม่นยำมีความสำคัญมากต่อการควบคุมความหนืดของแก้วระหว่างการแปรรูป แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยแค่บวกหรือลบ 5 องศา ก็สามารถทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากว่าผลิตภัณฑ์แก้วสำเร็จรูปจะผ่านมาตรฐานคุณภาพหรือถูกปฏิเสธ
เตาเผาปูนซีเมนต์ทำให้เซ็นเซอร์ต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูงถึง 1,450°C ไอเบสที่กัดกร่อน และอนุภาคไคลน์เกอร์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน คอมโพสิตอลูมินา-ไซเรเนียให้อายุการใช้งานยาวนานกว่าทางเลือกที่ทำจากโลหะถึงสามเท่าในสภาวะเหล่านี้ ช่วยลดความถี่ในการบำรุงรักษาในสภาพแวดล้อมของเตาเผาที่หมุนได้ โครงสร้างที่ไม่พรุนยังช่วยป้องกันการสะสมของตะกรันปูนซีเมนต์ ซึ่งอาจทำให้ค่าที่วัดได้คลาดเคลื่อน
หลอดอลูมินาความบริสุทธิ์สูงรักษารูปร่างและขนาดให้มั่นคงในเตาเผาเซรามิกที่อุณหภูมิสูงถึง 1,600–1,800°C ป้องกันการลอยตัวของค่าเซ็นเซอร์ และรับประกันความแม่นยำ ±2°C ตลอด 5,000 รอบการทำงาน ในเตาอบบำบัดความร้อนโลหะ หลอดเซรามิกสามารถต้านทานการคาร์บูไรเซชันและการเกิดสเกล ซึ่งเป็นสาเหตุการเสียหายทั่วไปของปลอกโลหะ
การสำรวจโรงงานอุตสาหกรรม 200 แห่งในปี 2023 พบว่า 68% กำลังเปลี่ยนจากการใช้วัสดุโลหะมาเป็นเซรามิกในการป้องกันเซนเซอร์ในงานที่มีอุณหภูมิสูง ปัจจัยสำคัญได้แก่ การเพิ่มขึ้นของช่วงเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF) 40–60% และความเข้ากันได้กับระบบ IIoT ที่ต้องการสัญญาณมีเสถียรภาพและมีสัญญาณรบกวนต่ำ
ท่อป้องกันเซรามิกอุตสาหกรรมส่วนใหญ่พึ่งพาวัสดุเช่น อะลูมินา ไซเรเนีย หรือสารผสมคอมโพสิตต่างๆ เพื่อให้ได้จุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพการใช้งานและความคุ้มค่าทางการเงิน อะลูมินาระดับความบริสุทธิ์ 99.5% ยังคงเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานทั่วไป เนื่องจากมีความเสถียรเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงภายในเตาเผา ด้วยอัตราการขยายตัวจากความร้อนประมาณ 8.1 x 10^-6 ต่อองศาเซลเซียส เมื่อเผชิญกับสภาวะที่รุนแรงมากขึ้น ผู้ผลิตจะหันไปใช้ไซเรเนีย ซึ่งสามารถทนต่อการแตกหักภายใต้แรงเครียดได้ดีกว่าเซรามิกทั่วไปประมาณสามเท่า โดยอาศัยคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่า transformation toughening สำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องการความสะอาดสูงเป็นพิเศษ เช่น ในสายการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ บริษัทหลายแห่งนิยมใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ผสมกับอะลูมินามากขึ้น เนื่องจากวัสดุไฮบริดเหล่านี้ไม่อนุญาตให้มีการปนเปื้อนเข้ามาได้ง่ายเหมือนตัวเลือกแบบดั้งเดิม
| คุณสมบัติ | อะลูมินา | เซอร์โคเนีย |
|---|---|---|
| ความแข็ง (วิคเกอร์ส) | 15â19 GPa | 12 GPa |
| อุณหภูมิสูงสุดในการใช้งาน | 1,750°C | 2,400°C |
| ความทนทานต่อการกระแทกทางความร้อน | ปานกลาง | ยอดเยี่ยม |
| ความทนทานต่อสารเคมี | ทนต่อกรดเข้มข้นได้ดี | เสถียรภาพในสารละลายด่าง |
การวิเคราะห์วัสดุจากปี 2024 ระบุว่าความเสถียรของเฟสเซอร์โคเนียที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,100°C ทำให้เหมาะกับโรงไฟฟ้าถ่านหินมากกว่า ในขณะที่อลูมินายังคงเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับกระบวนการทางเคมีที่ต่ำกว่า 900°C
นักวิจัยที่กำลังพัฒนาวัสดุขั้นสูงได้เริ่มสร้างวัสดุผสมอลูมินา-เซอร์โคเนียที่ปนเปื้อนด้วยออกไซด์ของธาตุหายาก วัสดุใหม่เหล่านี้ทำให้ได้หลอดที่สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ได้มากกว่า 5,000 รอบ ซึ่งคิดเป็นประสิทธิภาพที่ดีขึ้นประมาณ 70% เมื่อเทียบกับเซรามิกมาตรฐานที่มีอยู่ในปัจจุบัน อีกหนึ่งความก้าวหน้าเกิดจากเวอร์ชันที่เสริมด้วยซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งแสดงความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างน่าประทับใจถึง 98% ตลอดช่วงค่าพีเอชตั้งแต่ 1 ถึง 14 สิ่งนี้เคยเป็นปัญหาใหญ่โดยเฉพาะสำหรับสถานที่บำบัดน้ำเสีย พยากรณ์ตลาดระบุว่าหลอดป้องกันเซรามิกแบบคอมโพสิตเหล่านี้อาจครองส่วนแบ่งประมาณ 35% ของการใช้งานเซนเซอร์อุตสาหกรรมทั่วโลกภายในกลางทศวรรษนี้ โดยอ้างอิงจากผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีระบบความร้อน
EN
