Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Химия /

Химическая и радиационная стойкость керамики

←предыдущая  следующая→
1 2 3 4 5 



Скачать реферат


1. Химическая и радиационная стойкость керамики.

1. Химическая стойкость керамики.

Химической (коррозионной) стойкостью называют способность керамических материалов противостоять разрушающему действию агрессивных сред.

Коррозию керамики могут ускорять химические реакции, сма¬чивание поверхности, растворение и пропитка пор, объемные из¬менения в керамике.

При коррозии обычно происходит взаимная диффузия ионов (атомов) керамики и агрессивной среды. Диффузия может и не со¬провождаться разрушением керамического изделия, но свойства могут измениться настолько, что его дальнейшая эксплуатация в данной конструкции станет невозможной.

Химическая стойкость определяется свойствами корродиента, химическим составом и микроструктурой керамики, а также усло¬виями процесса коррозии, особенно происходящими на границе керамики с агрессивной средой.

Агрессивные вещества, действующие на керамику, часто пред¬ставлены жидкостями (растворы кислот, оснований, солей; рас¬плавы солей, стекол, шлаков, металлов). Особенно большое зна¬чение для огнеупоров имеет шлакоустойчивость. Основная доля потерь в металлургических агрегатах приходится на разрушение огнеупоров жидкими шлаками. Коррозия жидкими агрессивными средами имеет место также в химических реакторах, в доменных, мартеновских, стекловаренных печах, в конвертерах, установках для непрерывной разливки стали и т. д.

Корродиентами для керамических материалов могут быть так¬же различные газы, в том числе ионизированные (плазма): пары воды, продукты сгорания топлива (СО, CO2), SO2, HCI, пары ле¬тучих оксидов и солей и др. Бескислородная керамика и керметы могут, кроме того, окисляться. Коррозия агрессивными газообразными средами происходит в химических реакторах, металлургичес¬ких и стекловаренных печах, рекуператорах, в каналах МГД-гене¬раторов, в керамических двигателях и т. д.

Твердые вещества при повышенных температурах также могут взаимодействовать с керамикой. Этот вид коррозии встречается, когда в горячей зоне высокотемпературных агрегатов контактируют друг с другом различные по химическому составу виды огнеупоров.

Химическую стойкость керамики по виду корродиента подраз¬деляют на кислотостойкость, щелочестойкость, стеклоустойчи-вость, металлоустойчивость, шлакоустойчивость и т. д.

Взаимодействие керамики с агрессивными веществами зависит от химической природы агрессивной среды и керамики. Керамика из кислотных оксидов легко разрушается агрессивными вещества¬ми основного характера и наоборот. Так, керамика из MgO и СаО взаимодействует с парами воды, с НСl, SО2, СО2, кислыми шлака¬ми. Керамика на основе SiO2 взаимодействует с парами и раство¬рами щелочей, с основными расплавами.

Возможность тех или иных химических реакций между керами¬кой и агрессивной средой можно оценить по потенциалу Гиббса, но для многокомпонентного расплава при высоких температурах это сделать очень сложно.

Продуктами взаимодействия керамики с агрессивной средой могут быть твердые, жидкие или газообразные вещества.

Выделение газообразных продуктов (встречающееся достаточ¬но редко) увеличивает пористость керамики и этим уменьшает хи¬мическую стойкость, механическую прочность и другие зависящие от пористости свойства материала.

Взаимодействие керамики с жидкостями, приводящее к изме¬нению их состава, является важнейшим и наиболее часто встреча¬ющимся процессом. Жидкие продукты могут, в свою очередь, вза¬имодействовать с керамикой. Этим объясняется тот факт, что по¬давляющая часть исследований в области химической стойкости керамики посвящена взаимодействиям с жидкостями.

Достаточно часто продукты взаимодействия бывают твердыми. Они могут стать твердыми в процессе охлаждения или изменения других условий процесса. Твердые продукты, с одной стороны, должны сдерживать дальнейшее взаимодействие, создавая своеоб¬разный изолирующий слой между керамикой и агрессивным аген¬том, но с другой - изменение физических и химических свойств ча¬сто вызывает необходимость замены керамики.

Керамические футеровки различных высокотемпературных аг¬регатов работают в условиях градиента температур по толщине стенки. Сочетание химического воздействия с температурным гра¬диентом чаще всего приводит к зональному перерождению керами¬ки. В результате в отдельных зонах может произойти настолько значительное изменение механических и термомеханических свойств керамики, что это приводит к ее деформации, скалыванию футеровки и даже к разрушению конструкции.

Химическая стойкость керамики зависит не только от ее химиче¬ского состава, но и от макро- и микроструктуры: количества, формы и размера пор, количества и состава межзерновой фазы, размера и дефектности зерен. Наиболее интенсивно взаимодействие керамики с агрессивным веществом идет по порам в первую очередь откры¬тым. Диффузия компонентов агрессивного вещества в керамику по поверхности пор интенсивнее, чем по межзерновой фазе, а тем бо¬лее по объему зерен. Глубина пропитки пористой керамики жидкос¬тью увеличивается вместе с увеличением открытой пористости.

По мере повышения температуры влияние пористости растет. Коррозия при этом определяется совместным влиянием формы пор, их ориентации и распределения по размерам и достаточно хо¬рошо коррелирует с газопроницаемостью.

Под действием неоднородного температурного поля и в резуль¬тате пропитки многокомпонентными расплавами керамический материал может приобретать зональное строение с различным распределением компонентов, зависящим в первую очередь от распределения температуры, скорости диффузии компонентов рас¬плава по поверхности пор, удаленности от поверхности контакта с расплавом и времени взаимодействия.

Растворение стенок капилляров, происходящее при этом, мо¬жет приводить к шлаковой усадке. Если в порах образуются новые продукты с большим объемом, то возникающие механические на¬пряжения могут вызывать сколы. Благодаря твердофазным окис¬лительно-восстановительным реакциям иногда могут возникать механические напряжения, приводящие к трещинам и образова¬нию крупных полостей.

Для повышения химической стойкости керамики в первую оче¬редь необходимо уменьшать ее пористость, особенно открытую. Другим эффективным способом является пропитка керамики специ¬альными веществами, которые в дальнейшем повышают вязкость пропитывающей агрессивной жидкости, уменьшают смачивание поверхности пор жидкостью, увеличивают химическую стойкость поверхностных слоев пор и т. д.

Химическое взаимодействие агрессивной среды с керамикой протекает не только по порам, но и между зернами, в ходе которо¬го растворяются границы зерен, что облегчает эрозию керамики. Коэффициент диффузии атомов или ионов агрессивного вещества по границам зерен обычно значительно (иногда на 2-3 порядка) превышает таковой в объеме зерна. Если в основном веществе примесей много, то в керамике образуется явно выраженная меж¬зерновая фаза, в основном имеющая после охлаждения стеклооб¬разное строение.

Наблюдается хорошая корреляция химической стойкости кера¬мики с уменьшением содержания в ней плавней.

Межзерновая фаза и границы зерен, являясь менее термодина¬мически устойчивыми, чем кристаллические зерна, легче подверга¬ются химическому воздействию. Поскольку наиболее крупные от¬крытые поры находятся между зернами, то проникающие по ним жидкость или газ растворяют межзерновую фазу в теле керамики.

Для повышения химической стойкости керамики необходимо уменьшить количество межзерновой фазы, что достигается повыше¬нием чистоты основного материала. Увеличить химическую стой¬кость межзерновой фазы можно, например, вводя высокоогнеупор¬ные вещества в связующую часть шихты. Эффективно использова¬ние специальных добавок, приводящих к развитию в огнеупорах во время их обжига прямой связи кристалл — кристалл, что будет препятствовать вымыванию зерен агрессивной жидкостью.

Отдельные кристаллы (плотные зерна) обычно являются наи¬более устойчивыми элементами микроструктуры керамики к хими¬ческому воздействию, однако они иногда могут вымываться агрес¬сивной средой, еще полностью не растворившись."

Взаимодействие керамики с жидкостями и газами относится к гете¬рогенным процессам и может происходить в диффузионной, кинетиче¬ской или смешанной областях.

Если взаимодействие керамики с жидкостью или газом проис¬ходит в диффузионной области, его можно описать эмпирической формулой Нернста

j=D(C,-C„)/d,

где j — потеря массы твердого тела на единицу поверхности разде¬ла за единицу времени; D — коэффициент диффузии; d — толщина диффузионного слоя; Сх — концентрация растворяемого вещества в момент времени х; Сн — концентрация насыщения.

При выборе керамического материала для конкретных условий эксплуатации необходимо, чтобы скорость его растворения была минимальной, что достигается обычно при высокой его чистоте.

Наиболее важным для химической стойкости при эксплуатации керамики, особенно огнеупоров, являются процессы взаимодейст¬вия с оксидными расплавами: стеклами, шлаками и т. д. Поэтому важно знать строение расплавов оксидов и зависимость свойств, определяемых массопереносом, в расплаве (диффузия, электриче¬ская проводимость, вязкость и т. д.) от его химического состава.

Поверхностное натяжение σ агрессивной жидкости также влия¬ет на химическую стойкость керамики. Оксидные расплавы обычно хорошо смачивают оксидную керамику. Уменьшение смачиваемости приводит к уменьшению глубины пропитки керамики. Увеличение поверхностного натяжения на границе жидкость — газ обычно уменьшает пропитку и способствует коррозии только с поверхности.

При взаимодействии шамотных огнеупоров с агрессивными различными расплавами чаще всего их поверхностное

←предыдущая  следующая→
1 2 3 4 5 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»