Các cảm biến công nghiệp cần phải hoạt động trong một số điều kiện khá khắc nghiệt, nghĩ kim loại nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1.750 độ C hoặc bên trong các nhà máy chế biến hóa chất nơi mọi thứ trở nên rất dữ dội. Để bảo vệ các cảm biến này, ống gốm thường được sử dụng làm tấm chắn chính chống lại thiệt hại. Những ống này thường được làm từ vật liệu như nhôm nhôm hoặc zirconia có thể xử lý nhiệt độ cực cao mà không bị phá vỡ và sẽ không phản ứng hóa học với hầu hết các chất. Điều làm cho gốm khác với kim loại là khả năng giữ hình dạng ngay cả sau khi trải qua vô số chu kỳ sưởi ấm và làm mát. Điều này có nghĩa là ít trôi dạt hơn trong các phép đọc cảm biến bởi vì chúng không mở rộng và co lại nhiều như kim loại. Theo nghiên cứu gần đây được công bố vào năm 2023 về độ bền vật liệu, chuyển từ vỏ thép không gỉ sang ống gốm đã giảm khoảng hai phần ba thay thế cảm biến chỉ trong lò kính.
Khi nói đến việc xử lý các biến động nhiệt độ cực đoan, ống gốm vượt trội hơn hẳn so với hầu hết các vật liệu thông thường, đặc biệt là khi phải đối mặt với những thay đổi nhanh chóng lên tới 200 độ C mỗi phút hoặc hơn – điều này thực sự gây áp lực lớn lên các bộ phận và dẫn đến hình thành các vết nứt. Bí mật một phần nằm ở tính chất giãn nở nhiệt của chúng. Lấy ví dụ gốm alumina, chúng giãn nở ở mức khoảng 8,6 micromet trên mét trên mỗi độ C, thấp hơn nhiều so với con số 17,3 ở thép không gỉ tiêu chuẩn 316. Điều này có nghĩa là các bộ phận bằng gốm ít bị mỏi do quá trình đun nóng và làm nguội liên tục này hơn. Các nghiên cứu đánh giá khả năng duy trì hiệu suất theo thời gian của những vật liệu này đã phát hiện ra một điều khá ấn tượng về ống gốm zirconia. Chúng được chứng minh là có thể chịu đựng được hơn 5.000 chu kỳ nhiệt hoàn chỉnh, từ mức nóng rực 1.200 độ xuống nhiệt độ phòng 25 độ mà không hề xuất hiện dấu hiệu hao mòn nào. Độ bền như vậy khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường công nghiệp như lò nung và lò xử lý nhiệt, nơi mà vật liệu liên tục được đun nóng rồi lại làm nguội đi làm nguội lại nhiều lần.
Trong các nhà máy hóa chất và lò đốt rác thải, ống gốm chịu được các điều kiện khắc nghiệt bao gồm:
Các nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn xác nhận rằng lớp bảo vệ gốm làm tăng tuổi thọ cảm biến lên 3–5 lần trong các môi trường hóa dầu so với lớp vỏ kim loại phủ polymer.
Ống bảo vệ gốm có thể chịu được nhiệt độ lên tới khoảng 1.600 độ C khi vận hành liên tục, và một số phiên bản composite tiên tiến đã được kiểm nghiệm vượt quá 2.000 độ theo các nghiên cứu gần đây về vật liệu chịu nhiệt độ cao. Polyme thì hoàn toàn khác, chúng bắt đầu phân hủy khi nhiệt độ vượt quá khoảng 300 độ. Gốm nền alumina giãn nở rất ít, thực tế là dưới 1 phần trăm theo chiều dài ngay cả ở 1.200 độ C. Và sau đó là zirconia, loại vật liệu khá tuyệt vời vì có thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ trên 500 độ mỗi phút mà không bị nứt vỡ. Những đặc tính này khiến vật liệu gốm trở nên vô cùng quý giá trong các môi trường khắc nghiệt nơi mà các vật liệu khác đơn giản là không thể tồn tại.
Liên kết cộng hóa trị trong gốm mang lại khả năng chống chịu mệt mỏi nhiệt tuyệt vời. Các ống silicon carbide chịu được hơn 15.000 chu kỳ đốt nóng - làm nguội giữa 200°C và 1.400°C với độ biến dạng vĩnh viễn dưới 2%, đã được xác minh trong các nghiên cứu vật liệu năng lượng hạt nhân. Độ bền này rất cần thiết trong các lò xử lý nhiệt kim loại, nơi dao động nhiệt độ hàng ngày thường vượt quá 800°C.
Ở 1.200°C, các vỏ bọc bằng thép không gỉ giãn nở từ 12–15%, trong khi gốm chỉ giãn nở 0,5–0,8%. Gốm cũng tránh được các dạng hỏng đột ngột như cong vênh hay chảy chảy như ở kim loại. Dữ liệu ngành cho thấy cảm biến được bảo vệ bằng gốm trong các dây chuyền tôi kính có tuổi thọ 8–10 năm, dài hơn đáng kể so với 2–3 năm của các thiết bị dùng lớp chắn kim loại.
Các vật liệu như alumina Al2O3 và zirconia ZrO2 thể hiện khả năng chống lại axit, bazơ và nhiều loại dung môi khác nhau ngay cả ở mức pH cực đoan từ khoảng 0,5 lên đến 14. Điều làm cho các loại gốm này trở nên bền bỉ là khả năng tạo ra các lớp bề mặt bảo vệ, về cơ bản ngăn chặn sự di chuyển của các ion gây ăn mòn. Điều này có nghĩa là chúng có thể tiếp tục hoạt động bình thường trong nhiều năm tại các cơ sở xử lý hóa chất, nơi mà các vật liệu khác sẽ nhanh chóng bị phá hủy. Nếu xét đến các lựa chọn kim loại? Hầu hết các kim loại đơn giản là không được thiết kế để tồn tại lâu dài trong những môi trường khắc nghiệt này. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng nhiều kim loại thông dụng bắt đầu xuất hiện dấu hiệu hư hỏng sau khi chỉ tiếp xúc từ 300 đến 500 giờ trong điều kiện ăn mòn tương tự. Đó là lý do vì sao ngày càng nhiều ứng dụng công nghiệp hiện nay sử dụng các bộ phận gốm cho những chi tiết quan trọng đòi hỏi độ tin cậy lâu dài.
Các nghiên cứu gần đây nhấn mạnh độ bền vượt trội của ống bảo vệ gốm trong môi trường hóa chất công nghiệp ăn mòn:
| Tiếp xúc hóa chất | Alumina (1.000 giờ) | thép không gỉ 316 (1.000 giờ) | Tổn thất khối lượng (%) |
|---|---|---|---|
| axit Sulfuric 20% | 0.03 | 12.7 | -98% so với kim loại |
| natri Hydroxide 50% | 0.01 | 8.2 | -99% so với kim loại |
| Dung môi clo hóa | 0.00 | 4.1 | -100% so với kim loại |
Nguồn: Tạp chí Vật liệu Nhiệt độ Cao, 2023
Những kết quả này nhấn mạnh khả năng của gốm sứ trong việc chống lại sự ăn mòn lỗ và nứt do ứng suất trong các môi trường có độ pH thay đổi và hợp chất halogen.
Ống bảo vệ gốm hoạt động rất hiệu quả trong các lò thủy tinh vận hành ở nhiệt độ trên 1.400 độ C vì chúng giãn nở rất ít khi bị đốt nóng và không phản ứng hóa học với bất kỳ thành phần nào xung quanh. Những ống này vẫn giữ nguyên vẹn ngay cả khi được đặt trực tiếp vào thủy tinh nóng chảy mà không bị vỡ hay hư hại, từ đó ngăn chặn các tạp chất không mong muốn lẫn vào sản phẩm cuối cùng. Việc lấy được số liệu nhiệt độ chính xác là rất quan trọng để kiểm soát độ loãng hoặc độ đặc của thủy tinh trong quá trình xử lý. Ngay cả những thay đổi nhỏ khoảng ±5 độ cũng có thể quyết định liệu sản phẩm thủy tinh hoàn chỉnh có đạt tiêu chuẩn chất lượng hay bị loại bỏ.
Lò nung xi măng đặt cảm biến vào môi trường có nhiệt độ 1.450°C, hơi kiềm và các hạt clinker mài mòn. Các vật liệu composite alumina-zirconia có tuổi thọ sử dụng gấp ba lần so với các lựa chọn thay thế kim loại trong điều kiện này, giảm tần suất bảo trì trong môi trường lò quay. Cấu trúc không xốp của chúng cũng ngăn ngừa sự tích tụ các cặn xi măng có thể làm sai lệch kết quả đo.
Ống alumina độ tinh khiết cao duy trì ổn định kích thước trong các lò nung gốm đạt nhiệt độ 1.600–1.800°C, ngăn ngừa sai số cảm biến và đảm bảo độ chính xác ±2°C sau 5.000 chu kỳ. Trong các lò xử lý nhiệt kim loại, ống gốm chống lại hiện tượng thấm carbon và bong tróc – những dạng hư hỏng phổ biến ở vỏ bọc kim loại.
Một cuộc khảo sát năm 2023 tại 200 nhà máy công nghiệp cho thấy 68% đang chuyển đổi từ bảo vệ cảm biến kim loại sang gốm trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Các yếu tố chính bao gồm việc tăng thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc từ 40–60% và khả năng tương thích với các hệ thống IIoT yêu cầu tín hiệu ổn định, ít nhiễu.
Hầu hết các ống bảo vệ gốm công nghiệp đều dựa vào các vật liệu như alumina, zirconia hoặc các loại hỗn hợp composite khác nhau để đạt được sự cân bằng khó khăn giữa hiệu suất hoạt động tốt và tính hợp lý về mặt chi phí. Loại alumina tinh khiết 99,5% vẫn phổ biến trong các ứng dụng hàng ngày nhờ độ ổn định cao khi nhiệt độ thay đổi bên trong lò nung, do hệ số giãn nở nhiệt khoảng 8,1 x 10^-6 trên độ C. Khi điều kiện làm việc trở nên khắc nghiệt hơn, các nhà sản xuất chuyển sang dùng zirconia, loại vật liệu này có khả năng chống vỡ dưới ứng suất cao gấp khoảng ba lần so với gốm thông thường nhờ một đặc tính đặc biệt gọi là tăng độ dẻo hóa bằng chuyển pha. Đối với những môi trường siêu sạch cần thiết trong các dây chuyền sản xuất bán dẫn, nhiều công ty hiện nay ưa chuộng silicon carbide trộn với alumina vì các vật liệu lai này không dễ để chất gây nhiễm xâm nhập như các lựa chọn truyền thống.
| Bất động sản | Nhôm | Zirconia |
|---|---|---|
| Độ cứng (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Nhiệt độ vận hành tối đa | 1.750°C | 2.400°C |
| Kháng sốc nhiệt | Trung bình | Xuất sắc |
| Kháng hóa học | Chịu được axit mạnh | Ổn định trong dung dịch kiềm |
Phân tích vật liệu từ năm 2024 cho thấy độ ổn định pha của zirconia ở nhiệt độ trên 1.100°C khiến nó phù hợp hơn cho các nhà máy điện than, trong khi alumina vẫn là lựa chọn kinh tế cho xử lý hóa chất dưới 900°C.
Các nhà nghiên cứu đang phát triển vật liệu tiên tiến đã bắt đầu tạo ra các vật liệu composite alumina zirconia trộn với oxit đất hiếm. Những vật liệu mới này tạo ra các ống có khả năng chịu đựng hơn 5.000 chu kỳ nhiệt, tương ứng với hiệu suất cải thiện khoảng 70% so với các lựa chọn gốm tiêu chuẩn hiện có. Một đột phá khác đến từ các phiên bản được gia cố bằng silicon nitride, cho thấy khả năng chống ăn mòn ấn tượng lên tới 98% trong toàn bộ dải pH từ 1 đến 14, điều trước đây gây ra những vấn đề lớn cho các cơ sở xử lý nước thải. Các dự báo thị trường cho rằng các ống bảo vệ gốm composite này có thể chiếm lĩnh khoảng 35% ứng dụng cảm biến công nghiệp trên toàn thế giới vào giữa thập kỷ này, theo báo cáo từ các chuyên gia chuyên về công nghệ hệ thống nhiệt.
EN
