Промислові датчики мають працювати в досить жорстких умовах, наприклад, у розплавленому металі при температурі близько 1750 градусів Цельсія або всередині хімічних заводів, де умови стають надзвичайно складними. Для захисту цих датчиків керамічні трубки часто використовуються як основний щит від пошкоджень. Зазвичай ці трубки виготовляють із матеріалів, таких як композити на основі оксиду алюмінію або цирконію, які можуть витримувати екстремальні температури без руйнування та не вступають у хімічні реакції з більшістю речовин. Те, що відрізняє кераміку від металів — це здатність зберігати форму навіть після безлічі циклів нагрівання та охолодження. Це означає менше відхилення показань датчиків, оскільки вони розширюються та стискаються значно менше, ніж метал. Згідно з нещодавніми дослідженнями, опублікованими в 2023 році щодо міцності матеріалів, заміна оболонок із нержавіючої сталі на керамічні трубки скоротила заміну датчиків приблизно на дві третини лише в скловарних печах.
Коли мова йде про екстремальні перепади температур, керамічні трубки значно перевершують більшість традиційних матеріалів, особливо в умовах швидких змін температури на 200 градусів Цельсія за хвилину чи більше, що серйозно навантажує компоненти й призводить до утворення тріщин. Частина секрету полягає також у їхніх властивостях термічного розширення. Візьмемо, наприклад, оксид алюмінію — він розширюється приблизно на 8,6 мікрометрів на метр на градус Цельсія, що значно нижче за показник 17,3 для стандартної нержавіючої сталі 316. Це означає, що керамічні деталі набагато менше піддаються втомі від постійного нагрівання й охолодження. Дослідження, присвячені довготривалій стійкості цих матеріалів, виявили досить вражаючі результати щодо трубок на основі цирконію. Зокрема, встановлено, що вони здатні витримувати понад 5 000 повних термоциклів — від спекотних 1200 градусів аж до кімнатної температури 25 градусів — без жодних ознак зносу. Така міцність робить їх ідеальними кандидатами для використання в промислових умовах, наприклад у печах або установках термічної обробки, де матеріали постійно нагріваються й охолоджуються знову і знову.
На хімічних заводах та установках зі спалювання відходів керамічні трубки витримують жорсткі умови, зокрема:
Дослідження стійкості до корозії підтверджують, що захист керамікою подовжує термін служби датчиків у 3–5 разів на нафтопереробних об’єктах порівняно з полімерними покриттями на металевих оболонках.
Керамічні захисні труби можуть витримувати температури до приблизно 1600 градусів Цельсія під час безперервної роботи, а деякі просунуті композитні версії, згідно з останніми дослідженнями високотемпературних матеріалів, витримували навіть понад 2000 градусів. Полімери ж зовсім інші — вони починають руйнуватися, коли температура піднімається вище 300 градусів. Алюмінієві кераміки розширюються дуже незначно — навіть при 1200 градусах Цельсія лінійне розширення становить менше 1 відсотка. Що ж до цирконію, він просто дивовижний, адже витримує зміни температури понад 500 градусів за хвилину, не тріскаючись. Ці властивості роблять кераміку надзвичайно цінною в екстремальних умовах, де інші матеріали просто не витримали б.
Ковалентний зв'язок в кераміці забезпечує винятковий опір термічній втомі. Трубки з карбіду кремнію витримують понад 15 000 циклів нагрівання-охолодження між 200 °C і 1400 °C з менш ніж 2% постійної деформації, що підтверджено в дослідженнях матеріалів для ядерної енергетики. Ця довговічність є життєво важливою у печах для термічної обробки металів, де щоденні коливання часто перевищують 800 °C.
При 1200 °C оболонки з нержавіючої сталі розширюються на 12–15%, тоді як кераміка — лише на 0,5–0,8%. Кераміка також уникнути раптових видів руйнування, таких як деформація або плавлення, характерних для металів. Промислові дані свідчать, що датчики з керамичним захистом у лініях закалювання скла служать 8–10 років, що значно довше, ніж 2–3 роки для пристроїв з металевим захистом.
Матеріали, такі як глинозем Al2O3 та цирконій ZrO2, виявляють чудову стійкість до кислот, лугів і різних розчинників навіть при екстремальних значеннях pH — від приблизно 0,5 аж до 14. Стійкість цих керамічних матеріалів пояснюється їхньою здатністю утворювати захисні поверхневі шари, які практично не дають йонам переміщатися й викликати корозію. Це означає, що вони можуть продовжувати правильно працювати протягом багатьох років на хімічних виробництвах, де інші матеріали набагато швидше руйнуються. А як щодо металів? Більшість металів просто не розраховані на довге використання в таких жорстких умовах. Випробування показали, що багато поширених металів починають проявляти ознаки відмови всього за 300–500 годин експозиції в подібних агресивних середовищах. Саме тому все більше промислових застосувань тепер покладається на керамічні компоненти для критичних деталей, які мають забезпечувати довготривалу надійність.
Останні дослідження підкреслюють вищу довговічність керамічних захисних труб у промислових агресивних середовищах:
| Хімічне впливання | Глинозем (1 000 год) | нержавіюча сталь 316 (1 000 год) | Втрати маси (%) |
|---|---|---|---|
| 20% сірчана кислота | 0.03 | 12.7 | -98% порівняно з металом |
| 50% гідроксид натрію | 0.01 | 8.2 | -99% порівняно з металом |
| Хлоровані розчинники | 0.00 | 4.1 | -100% порівняно з металом |
Джерело: Журнал матеріалів для високих температур, 2023
Ці результати підкреслюють здатність кераміки протистояти пітінгу та корозійному тріщинуванню під напругою в умовах з коливанням рівня рН та наявністю галогенних сполук.
Керамічні захисні трубки дуже добре працюють у скловарних печах, що працюють при температурі понад 1400 градусів Цельсія, оскільки вони дуже мало розширюються при нагріванні і не вступають у хімічні реакції з навколишніми речовинами. Ці трубки зберігають цілісність, навіть якщо їх розмістити безпосередньо в розплавленому склі, не руйнуючись і не пошкоджуючись, що запобігає потраплянню сторонніх матеріалів у кінцевий продукт. Точне вимірювання температури має велике значення для контролю ступеня рідкості або густини скла під час обробки. Навіть незначні зміни на плюс-мінус 5 градусів можуть вирішити, чи готові вироби зі скла відповідатимуть стандартам якості чи будуть відхилені.
У цементних печах датчики піддаються температурам до 1450 °C, лужним парам і абразивним частинкам клінкеру. Композити на основі оксиду алюмінію та цирконію мають термін служби, який утричі перевищує термін металевих аналогів за таких умов, що зменшує частоту обслуговування у середовищах обертових печей. Їхня непроникна структура також запобігає накопиченню цементних відкладень, які можуть спотворювати показання.
Труби з високочистого глинозему зберігають розмірну стабільність у керамічних обпалювальних печах із температурами 1600–1800 °C, запобігаючи відхиленню датчиків і забезпечуючи точність ±2 °C понад 5000 циклів. У печах для термічної обробки металів керамічні труби стійкі до карбонізації та утворення шаруватих відкладень — поширених причин виходу з ладу металевих оболонок.
Дослідження 2023 року серед 200 промислових підприємств показало, що 68% переходять від металевих до керамічних засобів захисту датчиків у високотемпературних застосуваннях. Основні чинники — це збільшення середнього часу між відмовами на 40–60% та сумісність із системами IIoT, які вимагають стабільних сигналів із низьким рівнем шумів.
Більшість промислових керамічних захисних трубок ґрунтуються на матеріалах, таких як глинозем, цирконій або різноманітні композитні суміші, щоб досягти складного балансу між тим, що добре працює, і тим, що є фінансово вигідним. Варіант глинозему з чистотою 99,5% залишається популярним для повсякденного використання завдяки його стабільності під час коливань температури всередині пічей, що пояснюється коефіцієнтом теплового розширення близько 8,1 × 10⁻⁶ на градус Цельсія. Коли умови стають надзвичайно важкими, виробники переходять на цирконій, який дивним чином опирається руйнуванню під навантаженням приблизно втричі краще, ніж звичайні керамічні матеріали, завдяки спеціальній властивості, відомій як трансформаційне зміцнення. Для тих надчистих середовищ, необхідних у виробничих лініях напівпровідників, багато компаній тепер віддають перевагу карбіду кремнію, змішаному з глиноземом, оскільки ці гібридні матеріали просто не дають забруднювачам так легко проникати, як це роблять традиційні варіанти.
| Властивість | Оксид алумінію | Цирконій |
|---|---|---|
| Твердість (за Вікерсом) | 15–19 ГПа | 12 ГПа |
| Максимальна робоча температура | 1,750 °C | 2,400 °C |
| Воно є тепловим | Середня | Чудово |
| Химічна стійкість | Стійкість до сильних кислот | Стабільність у лужному розчині |
Аналізи матеріалів за 2024 рік показують, що фазова стабільність цирконію при температурах вище 1100 °C робить його більш придатним для вугільних електростанцій, тоді як глинозем залишається економічно вигідним варіантом для хімічної обробки при температурах нижче 900 °C.
Дослідники, які працюють над передовими матеріалами, почали створювати композити оксиду алюмінію та цирконію, змішані з рідкісноземельними оксидами. Ці нові матеріали дозволяють отримати трубки, здатні витримувати понад 5000 термоциклів, що на 70% краще, ніж показники стандартних керамічних аналогів, доступних у даний час. Ще один прорив пов'язаний з версіями, посиленими нітридом кремнію, які демонструють вражаючу стійкість до корозії — 98% — у всьому діапазоні pH від 1 до 14, що раніше створювало серйозні проблеми саме для споруд з очищення стічних вод. За прогнозами ринку, такі композитні керамічні захисні трубки можуть знайти застосування приблизно в 35% промислових сенсорних систем по всьому світу до середини десятиліття, як повідомляють експерти з технологій теплових систем.
EN
