Коррозионная стойкость и химическая стабильность передовой керамики

Передовая керамика привлекает все большее внимание в критически важных отраслях промышленности благодаря своей исключительной коррозионной стойкости и химической стабильности, особенно в таких суровых условиях, как высокие температуры, сильные кислоты/основания и агрессивные газы. По сравнению с металлами и инженерными пластиками, передовая керамика обеспечивает непревзойденную долговечность и производительность в химически агрессивных условиях, что делает ее незаменимой в производстве полупроводников, химической промышленности, аэрокосмической отрасли и энергетике.

Передовая керамика - химические свойства - коррозионная стойкость

Что такое коррозионная стойкость и почему она имеет значение?

Коррозионная стойкость - это способность материала сохранять свою структуру и эксплуатационные характеристики при воздействии химических сред, таких как кислоты, щелочи и соли, не разрушаясь.

Усовершенствованная керамика, такая как глинозем (Al₂O₃), диоксид циркония (ZrO₂), карбид кремния (SiC), и нитрид кремния (Si₃N₄) неорганические, неметаллические материалы с сильной ионной или ковалентной связью. Это придает им гораздо большую устойчивость к коррозии, чем большинству других материалов. металлы и инженерные пластмассы.

Для современной керамики это свойство имеет решающее значение:

  • Он продлевает срок службы компонентов в химических реакторах, печах и газопроводах.
  • Он предотвращает загрязнение, что очень важно для полупроводниковых и биомедицинских применений.
  • Он сохраняет механическую целостность даже при термическом и химическом воздействии.

Преимущества передовой керамики в плане химической устойчивости

  • Инертность в кислой/щелочной среде: Идеально подходит для реакторов, футеровки насосов, уплотнений.
  • Устойчивость к окислению: Особенно SiC и Si₃N₄ при высоких температурах.
  • Отсутствие гальванической коррозии: Керамика обладает электрической изоляцией.
  • Отсутствие растрескивания под воздействием окружающей среды: В отличие от многих пластиков.
  • Биосовместимость: Безопасен для использования в биомедицинском оборудовании и оборудовании, контактирующем с пищевыми продуктами.

Факторы, влияющие на коррозионную стойкость керамики

  • Чистота границ зерен: Примеси могут создавать микрогальванические участки.
  • Пористость: Плотная керамика лучше работает в коррозионных средах.
  • Фазовый состав: Некоторые вторичные фазы могут растворяться в химических веществах.
  • Рабочая температура: Некоторые виды керамики окисляются или разрушаются при температуре выше 1000°C.

Скорость растворения керамики в агрессивных средах (экспериментальные данные)

В следующей таблице показаны измеренные скорости растворения основных керамических материалов в распространенных агрессивных средах, что свидетельствует об их долговременной химической стойкости:

Материал Средний Температура Продолжительность Скорость растворения (мг/см²/день)
Глинозем (Al₂O₃) HCl (10%) 100°C  24 h ~0.02
Цирконий (ZrO₂) H₂SO₄ (30%) 150°C  24 h ~0.015
ZTA20 HCl (10%) 100°C  24 h ~0.025
Нитрид кремния (Si₃N₄) NaOH (20%) 80°C  72h ~0.01
Нитрид алюминия (AlN) DI вода (pH 7) Комнатная температура 7 дней ~0.5
Карбид кремния (SiC) HNO₃ (50%) 120°C 48 h  <0.01
Оксид бериллия (BeO) HCl (10%) 90°C 24 h ~0.02
Гексагональный BN (h-BN) H₂SO₄ (98%) 100°C 24 h  ~0.15
MGC (обрабатываемая стеклокерамика) NaOH (10%) 80°C 24 h ~0.2

Примечание: Такие материалы, как AlN и MGC, более реактивны в воде или щелочных растворах, в то время как SiC и Al₂O₃ демонстрируют чрезвычайную инертность как к кислотам, так и к основаниям.

*Данные приведены только для справки.

Ключевые керамические материалы: Свойства и варианты использования

Нажмите на синий шрифт, чтобы просмотреть подробную информацию о каждом современном керамическом материале:

Материал Химическая устойчивость Общие приложения
Глинозем (Al₂O₃) Высокая инертность в кислых и основных средах Полупроводниковые приспособления, медицинские имплантаты
Цирконий (ZrO₂) Стабилен в кислоте; ограниченно устойчив к щелочи Насосы, клапаны, датчики
ZTA20 Повышенная прочность и коррозионная стойкость Конструктивные элементы, быстроизнашивающиеся детали
Нитрид кремния (Si₃N₄) Стойкость к кислотам и термическому окислению Газовые турбины, детали автомобильных двигателей
Нитрид алюминия (AlN) Хорошая химическая стойкость, высокая теплопроводность Электронные подложки, теплоотводы
Карбид кремния (SiC) Превосходная устойчивость практически ко всем химическим веществам Химические реакторы, уплотнения, теплообменники
Оксид бериллия (BeO) Химическая стабильность, термостойкость Военная электроника, космические системы
Нитрид бора (BN) Инертен, не реагирует даже при высоких температурах Кристаллы, изоляторы в реактивных атмосферах
Обрабатываемая стеклокерамика (MGC) Хорошая химическая стойкость, легко поддается обработке Прототипы, вакуумные детали

Связанные точки знаний:

  • Химическая связь: Ионные и ковалентные связи в керамике делают ее менее реактивной.
  • Пассивация: Некоторые керамики (например, ZrO₂, SiC) образуют устойчивые оксидные слои, которые противостоят дальнейшему воздействию.
  • Никакого окисления металла: Керамика не ржавеет и не корродирует, как металлы.
  • Не размягчается: Керамика сохраняет прочность, не разбухает и не растворяется, как полимеры.

Нужна помощь в выборе подходящей керамики?

Выбор правильной передовой керамики имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной надежности и оптимальной производительности. Независимо от того, нужны ли вам керамические материалы из нитрида кремния, карбида кремния или глинозема, наши материалы обеспечивают лучшие в отрасли характеристики, долговечность и точность.

Наша техническая команда готова помочь - свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить квалифицированную консультацию, основанную на ваших конкретных потребностях.

Сравнительная коррозионная стойкость распространенных материалов

На этом рисунке показано сравнение скорости растворения (единицы измерения: мг/см²/день) различных передовых керамических материалов в трех типичных агрессивных средах, что облегчает интуитивное понимание химической устойчивости различных передовых керамических материалов в кислотной, щелочной и солевой средах.

Диаграмма коррозионной стойкости
Нажмите на материал, чтобы просмотреть подробную информацию:
Нажмите на материал выше, чтобы увидеть данные о его коррозии и методы испытаний.

*Данные приведены только для справки.

Области применения, основанные на коррозионной стойкости керамики

  • Используемая керамика: Нитрид кремния (Si₃N₄), карбид кремния (SiC), глинозем (Al₂O₃)
  • Пример применения: При транспортировке высокоагрессивных жидкостей, таких как соляная кислота, серная кислота или гидроксид натрия, металлические компоненты легко подвергаются коррозии. Корпуса, рабочие колеса и втулки насосов из SiC-керамики используются для увеличения срока службы и снижения частоты технического обслуживания.
  • Преимущества: Отличная коррозионная и износостойкость, подходит для непрерывной работы.
  • Используемая керамика: Глинозем высокой чистоты (99,99% Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN)
  • Пример применения: В процессах очистки полупроводников (например, очистка RCA) высокоагрессивные химические вещества, такие как плавиковая кислота, озонированная вода и перекись водорода, требуют химически стойких материалов. Седла клапанов и уплотнения насосов из высокочистой алюмооксидной керамики обеспечивают чистоту и долговечность.
  • Преимущества: Химическая инертность, отсутствие ионного загрязнения, высокотемпературная стабильность.
  • Используемая керамика: Карбид кремния (SSiC), циркониевый упрочненный глинозем (ZTA)
  • Пример применения: В колоннах сероочистки коррозионные газы, такие как SO₂ и HCl, вызывают серьезные повреждения оборудования. Керамические сопла и футеровка теплообменников из SiC противостоят как химической коррозии, так и эрозии частиц.
  • Преимущества: Устойчивость к коррозии и эрозии, значительно увеличенный срок службы.
  • Используемая керамика: Нитрид кремния (Si₃N₄), глинозем (Al₂O₃)
  • Пример применения: Установки FCC работают в серосодержащих высокотемпературных средах. Металлические корпуса гильз быстро разрушаются, в то время как керамические гильзы из нитрида кремния обеспечивают точный контроль температуры при длительном использовании.
  • Преимущества: Высокая термическая и химическая стабильность, устойчивость к тепловым ударам.
  • Используемая керамика: Цирконий (ZrO₂), высокочистый глинозем (Al₂O₃)
  • Пример применения: При производстве фармацевтической продукции химические составы и уровни pH сильно варьируются. Уплотнения из циркониевой керамики обеспечивают биосовместимость и химическую стойкость при сохранении механической прочности.
  • Преимущества: Химическая стабильность, биосовместимость, отсутствие выщелачивания ионов.
  • Используемая керамика: Глинозем (Al₂O₃), карбид кремния (SiC)
  • Пример применения: В условиях едкого производства бумаги или кислотного крашения металлические ножи быстро ржавеют или изнашиваются, нарушая однородность продукта. Керамические лезвия обеспечивают более длительный срок службы и лучшую консистенцию покрытия.
  • Преимущества: Устойчивость к коррозии и износу, не загрязняется.
  • Используемая керамика: Карбид кремния (SSiC), нитрид кремния (Si₃N₄)
  • Пример применения: При разделении редкоземельных металлов или выщелачивании HF традиционные металлы быстро выходят из строя. Керамические футеровки и лопасти противостоят высокочастотной коррозии и механическому воздействию.
  • Преимущества: Экономически эффективная замена дорогостоящим сплавам, таким как тантал или хастеллой.
  • Используемая керамика: Глинозем (Al₂O₃), карбид кремния (SiC)
  • Пример применения: В системах обратного осмоса (RO) высокая соленость морской воды вызывает коррозию металлических деталей. Керамические компоненты противостоят коррозии хлорид-ионами и образованию накипи, обеспечивая долгосрочную стабильность.
  • Преимущества: Долговечность, защита от накипи, устойчивость к хлоридам.
  • Используемая керамика: Нитрид алюминия (AlN), оксид бериллия (BeO), карбид кремния (SiC)
  • Пример применения: В ядерных реакторах или при переработке радиоактивных отходов металлические материалы разрушаются в суровых условиях. Передовая керамика обеспечивает химическую инертность и низкое поглощение нейтронов.
  • Преимущества: Радиационная стойкость, высокая химическая стабильность, долгий срок службы.
  • Используемая керамика: Цирконий (ZrO₂), глинозем (Al₂O₃)
  • Пример применения: Для систем розлива напитков требуются материалы, не вступающие в реакцию с кислым содержимым. Керамические компоненты обеспечивают коррозионную стойкость и безопасность пищевых продуктов.
  • Преимущества: Безопасен для пищевых продуктов, устойчив к коррозии, не вымывается.

Важные керамические материалы

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Карбид кремния (SiC) обычно занимает первое место благодаря своей исключительной инертности как к кислотным, так и к окислительным средам.

Да. Во многих случаях передовая керамика, такая как глинозем, диоксид циркония, и SiC показывают значительно лучшую коррозионную стойкость, чем SS316Lособенно в кислотах и при высоких температурах.

Самые современные керамические изделия демонстрируют чрезвычайно низкая скорость растворения в кислотах. Исключения составляют AlN и MGCкоторые менее устойчивы к влаге и щелочным растворам.

Керамика, как правило, более устойчива к химической коррозии, но может быть более хрупкой при механических нагрузках.

Да. Керамика с высокой плотностью (низкой пористостью) демонстрирует лучшую коррозионную стойкость благодаря уменьшению площади поверхности.

Нет. Их стабильность зависит от химического состава керамики и среды. Например, AlN гидролизуется в воде.

Металлы подвержены коррозии в результате электрохимических реакций, особенно в кислой или соленой среде. Керамика - неорганическая, неметаллическая и химически связанная таким образом, что противостоит большинству механизмов коррозии.

Да, такие материалы, как глинозем, карбид кремния и ZTA, обладают широким спектром коррозионной стойкости. Однако диоксид циркония и AlN могут со временем разрушаться в сильной щелочи.

Очень немногие материалы хорошо сопротивляются воздействию HF. Даже керамика на основе глинозема и кремнезема может раствориться в HF. В таких условиях используйте BN или специальные фторированные материалы.