أنابيب الحماية الحرارية هي مكونات حاسمة في أنظمة قياس درجة الحرارة الصناعية عالية درجة الحرارة.
إنهم يحمون أجهزة استشعار المزدوج الحراري من:
- الأكسدة عند درجة حرارة عالية
- غازات تآكل
- المواد المنصهرة
- الصدمة الحرارية
- تلف ميكانيكي
من بين مواد أنابيب الحماية السيراميكية ، تستخدم السيراميك القائمة على كربيد السيليكون على نطاق واسع بسبب ممتازتها:
- استقرار درجات الحرارة العالية
- التوصيل الحراري
- مقاومة الصدمات الحرارية
- مقاومة التآكل الكيميائي
ومع ذلك ، ليس كل أنابيب حماية الكربيد السيليكون تعمل بنفس الطريقة.
ثلاثة مواد شائعة الاستخدام تشمل:
- كربيد السيليكون المتبلور (RSiC)
- كربيد السيليكون المرتبط بالردود الفعلية (SiSiC / RBSC)
- كربيد السيليكون المرتبط بنترات السيليكون (Si3N4-SiC)
كل مادة لها مزايا مختلفة من حيث:
- ضيق الغاز
- درجة حرارة العمل القصوى
- مقاومة الصدمات الحرارية
- مقاومة التآكل
- المقاومة الميكانيكية
اختيار المادة الصحيحة يتطلب فهم ظروف التشغيل الفعلية.
يتم إنتاج كربيد السيليكون المتبلور من جديد باستخدام جسيمات SiC عالية النقاء دون أي إضافات أو مواد ربط.
أثناء التجفيف عند حوالي:
2200~2400 درجة مئوية
تتعرض جزيئات SiC الدقيقة لربط التبخر والتكثيف ، مما يخلق بنية سيراميكية عالية النقاء.
خصائص نموذجية:
| الممتلكات | RSiC |
|---|---|
| نقاء SiC | >99% |
| درجة حرارة العمل القصوى | 1650 درجة مئوية |
| الكثافة السائبة | ~2.70 غرام/سم3 |
| مسامية واضحة | ~ 15% |
| التوصيل الحراري | ~ 25 W/m·K (1000 درجة مئوية) |
| معامل التوسع الحراري | 4.8 ×10-6 درجة مئوية |
يحتفظ RSiC بأداء مستقر عند درجات حرارة تصل إلى:
1650 درجة مئوية
إنه مناسب لـ:
- أفران ذوبان الزجاج
- محروقات الحرارة العالية
- معالجة المعادن الثمينة
- بيئات غازات الدخان التي تحتوي على الكبريت
لأن RSiC يحتوي على:
- نقاء SiC مرتفع
- لا يوجد مرحلة سيلكون حرة
- لا مرحلة ربط معدني
يقدم مقاومة ممتازة ضد:
- الغلاف الجوي المؤكسد
- مركبات الكبريت
- غازات تآكل عالية الحرارة
مزيج من:
- التوسع الحراري المنخفض
- سلكية حرارية جيدة
- الهيكل الخفيف
يسمح أنابيب RSiC لتحمل التغيرات السريعة في درجة الحرارة.
بسبب بنيته المسامية المسيطرة
- وجود نفوذ الغاز
- لا يمكن ضمان الختم الكامل
لذلك ، لا ينصح باستخدام RSiC في:
- أنظمة قياس ضيقة الغاز
- الحماية الحرارية للمعادن الثمينة بدون غطاء
بالنسبة لـ Pt-Rh thermocouples ، عادة ما تكون هناك حاجة إلى أنبوب داخلي إضافي من الألومينا.
يتم تصنيع كربيد السيليكون المرتبط بالردود عن طريق تسلل السيليكون المنصهر إلى جسم مسام من الكربون SiC.
يتفاعل السيليكون مع الكربون لتشكيل SiC الثانوية، بينما يملأ السيليكون المتبقي المسام.
هذا يخلق بنية كثيفة مع تقريبا صفر مسامية.
خصائص نموذجية:
| الممتلكات | SiSiC |
|---|---|
| محتوى SiC | 81% |
| درجة حرارة العمل القصوى | 1350~1400 درجة مئوية |
| الكثافة السائبة | 3.00 ∙3.05 غرام/سم3 |
| مسامية واضحة | ~ 0% |
| التوصيل الحراري | 3536 W/m·K |
| معامل التوسع الحراري | 4.4 ∙4.5 ×10 ∙6/°C |
أكبر ميزة لـ SiSiC هي:
تقريباً صفر مسام مفتوحة
هذا ينص على:
- سدادة غاز ممتازة
- الحماية من اختراق الغلاف الجوي
- قياس الحرارة الثابتة
إنه مناسب بشكل خاص لـ:
- أفران الغلاف الجوي
- أنظمة تحليل الغاز
- معالجة الحرارة في الغلاف الجوي المسيطر عليها
يوفر SiSiC:
- كثافة عالية
- قوة ثني عالية
- دقة قياسية ممتازة
قوة الانحناء النموذجية:
260~300 مبا عند درجة حرارة الغرفة
هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب متانة ميكانيكية.
التوصيل الحراري العالي يحسن:
- كفاءة نقل الحرارة
- سرعة استجابة الحرارة
- دقة القياس
القيود الرئيسية هي:
لأن البنية تحتوي على السيليكون الحر:
- الحرارة القصوى محدودة
- مقاومة الأكسدة أقل من RSiC
- بعض البيئات المعدنية المنصهرة قد تهاجم مرحلة السيليكون
ولذلك، لا يوصى بصورة عامة باستخدام SiSiC للعمل المستمر أعلاه:
1400 درجة مئوية
يتم إنتاج كربيد السيليكون المرتبط بنتريد السيليكون عن طريق تفاعل مسحوق السيليكون مع النيتروجين أثناء التخمير.
تشكل مرحلة Si3N4 شبكة الارتباط بين حبات SiC.
خصائص نموذجية:
| الممتلكات | Si3N4-SiC |
|---|---|
| محتوى SiC | 73 ٪ 75% |
| درجة حرارة العمل القصوى | ~1450°C |
| الكثافة السائبة | 2.70~2.80 غرام/سم3 |
| مسامية واضحة | 8 ٪ 28٪ |
| التوصيل الحراري | 19 ≈ 20 واط/ميكروكيل |
| معامل التوسع الحراري | 4.5 ∙5.1 ×10 ∙6/°C |
المادة تعمل بشكل جيد جدا تحت:
- تسخين سريع
- تبريد سريع
- دورة الفرن المتكررة
يستخدم على نطاق واسع في:
- أفران متقطعة
- أفران المعالجة الحرارية
- أنظمة إطلاق النار السيراميكية
مرحلة ربط نتريد السيليكون توفر:
- تقلص منخفض
- الهيكل المستقر
- دقة التصنيع الجيدة
بالمقارنة مع مواد RSiC عالية النقاء أو مواد SiC كثيفة:
Si3N4-SiC يوفر:
- انخفاض تكلفة الإنتاج
- قدرة الحجم الكبير
- ميزان أداء عام جيد
بالمقارنة مع SiSiC:
- ضيق الغاز أقل
بالمقارنة مع RSiC:
- قدرة الحرارة القصوى أقل
لا يوصى باستخدامه في:
- بيئات قاعية قوية
- تعرض الملح المذاب
- الغلاف الجوي السام للغاية
| الممتلكات | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| طريقة التصنيع | إعادة التبلور | رد فعل التسلل في السيليكون | ربط النترات |
| نقاء SiC | >99% | 81% | 73 ٪ 75% |
| درجة حرارة العمل القصوى | 1650 درجة مئوية | 1350~1400 درجة مئوية | ~1450°C |
| مسامية | ~ 15% | ~ 0% | 8 ٪ 28٪ |
| ضيق الغاز | معتدلة | ممتاز | جيد |
| مقاومة الصدمات الحرارية | ممتاز | ممتاز | ممتاز |
| التوصيل الحراري | ~25 واط/ميكروكيل | 3536 W/m·K | 19 ≈ 20 واط/ميكروكيل |
| مقاومة التآكل | ممتاز | جيد | معتدلة |
| المقاومة الميكانيكية | متوسطة | عالية | متوسطة |
| مستوى التكاليف | عالية | متوسطة | أسفل |
| تطبيق نموذجي | التآكل عند درجات الحرارة العالية | قياس ضيق الغاز | الدورة الحرارية |
✓ درجة الحرارة تتجاوز 1500 درجة مئوية
✓ مقاومة الأكسدة حاسمة
✓ هناك غازات تحتوي على الكبريت
✓ مقاومة للصدمات الحرارية مطلوبة
التطبيقات النموذجية:
- أفران ذوبان الزجاج
- محرقات الحرق
- أنظمة كيميائية عالية الحرارة
✓ ضيق الغاز هو الأولوية
✓ حماية المزدوج الحراري تتطلب إغلاق
✓ التحكم في الغلاف الجوي مهم
التطبيقات النموذجية:
- أفران الغلاف الجوي
- معدات تحليل الغازات
- أنظمة معالجة الحرارة
✓ حركة حرارية متكررة
✓ كفاءة التكاليف مهمة
✓ تحتاج أنابيب ذات قطر كبير
التطبيقات النموذجية:
- أفران السيراميك
- أفران متقطعة
- معدات المعالجة الحرارية
لا يوجد مادة واحدة من أنابيب الحماية لـ "أفضل" كربيد السيليكون.
الخيار الأمثل يعتمد على بيئة العمل:
- RSiC يوفر أعلى قدرة درجة الحرارة ومقاومة التآكل.
- يقدم SiSiC أفضل ضيق للغاز والقوة الميكانيكية.
- يوفر SiC المرتبط بـ Si3N4 مقاومة هزة حرارية ممتازة وكفاءة في التكلفة.
للحماية الموثوقة للحامل الحراري ، يجب على المهندسين تقييم:
- درجة حرارة العمل
- الغلاف الجوي الفرن
- متطلبات نفوذ الغاز
- تردد الدورة الحرارية
- ظروف التآكل
يمكن أن يؤدي اختيار مادة SiC الصحيحة إلى تحسين عمر الحرارة بشكل كبير ودقة القياس وموثوقية تشغيل الفرن.
