无机非金属材料的腐蚀.ppt

第十一章无机非金属材料的腐蚀 9 1概述1 定义 无机非金属材料 是以某些元素的氧化物 碳化物 氮化物 卤素化合物 硼化物以及硅酸盐 铝酸盐 磷酸盐 硼酸盐等物质组成的材料 除有机高分子材料和金属材料以外的固体材料 无机非金属材料是20世纪40年代以后 随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的 无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一 在晶体结构上 无机非金属材料的元素结合力主要为离子键 共价键或离子 共价混合键 这些化学键所特有的高键能 高键强赋予这一大类材料 基本属性高熔点 高硬度 耐腐蚀 耐磨损 高强度 良好的抗氧化性以及 宽广的导电性 隔热性 透光性及良好的铁电性 铁磁性和压电性 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 2 分类 如 水泥是一种重要的建筑材料 耐火材料与高温技术 尤其与钢铁工业的发展关系密切 各种规格的平板玻璃 仪器玻璃和普通的光学玻璃 日用陶瓷 卫生陶瓷 建筑陶瓷 化工陶瓷和电瓷等总之 与人们的生产 生活休戚相关 它们产量大 用途广 传统无机非金属材料大多数为硅酸盐材料 硅酸盐材料 主要由硅和氧组成的天然岩石 铸石 陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 在生活和生产中有着广泛的应用 是工业和基本建设所必需的基础材料 新型无机非金属材料 新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的 具有特殊性能和用途的材料 应用于高性能领域 在组成上已不局限于硅酸盐 还包括其它含氧酸盐 氧化物 氮化物 碳与碳化物 硼化物 氟化物 硫系化合物 硅 锗 V族及 VI族化合物等 其形态和形状也趋于多样化 例如结构陶瓷 复合材料 功能陶瓷 半导体 新型玻璃 非晶态材料和人工晶体等 这些新材料的出现说明了无机非金属材料科学与工程学科近几十年来的重大成就 它们的应用极大地推动了科学技术的进步 促进了人类社会的发展 1 玻璃刀的刀头是什么材料制作的 人造金刚石 2 煤气炉中电子打火用的是什么材料 压电陶瓷 3 现在的长途电话信号是通过什么传输的 光导纤维 3 无机非金属材料的特性 传统无机非金属材料的特性 1 优点 具有抗腐蚀 耐高温的优点 2 缺点 质脆 经不起热冲击的弱点 传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比 有许多独特的优势 然而 它的弱点的存在 又使它的应用范围受到了一定的限制 随着进行深入的研究和探索 并进行了反复的实验 随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世 新型无机非金属材料的特性 1 耐高温 强度高 熔点高 硬度大 耐磨损 氧化铝陶瓷球磨机 如 高压钠灯是发光效率很高的一种电光源 光色金白 在它的灯光下看物清晰 不刺眼 平均寿命长达1万小时 2万小时 比高压汞灯寿命长2倍 高过白炽灯的寿命10倍 是目前寿命最长的灯 早在30年代初 人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源 但一直到1960年 高压钠灯才实现 后经不断发展改进 才得以实际应用 钠蒸气放电会产生超过1000 的高温 钠蒸气有强烈的腐蚀作用 所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气放电产生的高温 此时普通玻璃要软化 但氧化铝材料陶瓷能承受高温 又耐腐蚀 透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050 能在1600 的环境里不受钠蒸气腐蚀 因此用氧化铝陶瓷 钠蒸气放电高压钠灯的发展 透明 耐高压 2 具有电学特性 一些新型无机非金属材料可以作为半导体 导体 超导体等 一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板 举世瞩目的高温超导性也是新近在这类材料上发现的 3 具有光学特性 有些新型无机非金属材料能发出各色的光 有的能透过可见光 有的能使红外线 雷达射线穿过 用于医疗 信息处理 通讯等 如光导纤维 高温下的光导纤维 4 具有生物特性 有些新型无机非金属材料强度高 无毒 不溶于水 对人体组织有较好的适应性 可直接植入人体内 用这类材料制成的人造牙齿 人造骨骼 已被应用在医疗上 人造关节 但因其化学成分 结晶状态 结构以及腐蚀介质的性质等原因 在任何情况下都耐蚀的无机非金属材料是不存在的 无机非金属材料除石墨以外 其腐蚀不是由电化学过程引起的 而是由于化学作用或物理作用所引起 无机非金属材料突出基本特性之一 通常具有良好的耐腐蚀性能 9 2无机非金属材料的腐蚀 9 2 1一般性机理特性影响无机非金属材料耐蚀性的因素1 材料的化学成分和矿物组成 硅酸盐材料成分中以酸性氧化物Si02为主 耐酸而不耐碱 当Si02 尤其是无定型Si02 与碱液接触时发生如下反应而受到腐蚀 所生成的硅酸钠易溶于水及碱液中 Si02含量较高的耐酸材料 除氢氟酸和高温磷酸外 能耐所有无机酸的腐蚀 温度高于300 的磷酸 任何浓度的氢氟酸都会对Si02发生作用 一般来说 材料中Si02的含量越高耐酸性越强 Si02质量分数低于55 的天然及人造硅酸盐材料是不耐酸的 另例外 例如 铸石 含质量分数为55 左右的Si02 而它的耐蚀性却很好 因为铸石中的Si02 A12O3 Fe2O3等在高温下形成耐腐蚀性很强的矿物 普通辉石 所以虽然Si02的质量分数低于55 却有很强的耐腐蚀性 红砖 Si02的含量很高 质量分数达60 80 却没有耐酸性 因为红砖中Si02的以无定型状态存在 没有耐酸性 若将红砖在较高的温度下锻烧 使之烧结 就具有较高的耐酸性 这是因为在高温下Si02与A12O3形成具有高度耐酸性的新矿物 硅线石 A12O3 2Si02 与莫来石 3A12O3 2Si02 并且其密度也增大 可见 硅酸盐材料的耐酸性不仅与化学组成材关 而且与矿物组成有关 含有大量碱性氧化物 CaO MgO 的材料属于耐碱材料 它们与耐酸材料相反 完全不能抵抗酸类的作用 例如 由钙硅酸盐组成的硅酸盐水泥 可被所有的无机酸腐蚀 而在一般的碱液 浓的烧碱液除外 中却是耐蚀的 2 材料孔隙和结构除熔融制品 如玻璃 铸石 外 硅酸盐材料或多或少总具有一定的孔隙率 孔隙会降低材料的耐腐蚀性 原因 孔隙的存在会使材料受腐蚀作用的面积增大 侵蚀作用也就显得强烈 使得腐蚀不仅发生在表面上而且也发生在材料内部 当化学反应生成物出现结晶时还会造成物理性的破坏 例如 制碱车间的水泥地面 当间歇地受到苛性钠溶液的浸润时 由于渗透到孔隙中的苛性钠吸收二氧化碳后变成含水碳酸盐结晶 体积增大 在水泥内部膨胀 使材料产生内应力破坏 硅酸盐材料的耐蚀性还与其结构有关 晶体结构的化学稳定性较无定型结构高 3 腐蚀介质 硅酸盐材料的腐蚀速度与酸的性质无关 除氢氛酸和高温磷酸外 而与酸的浓度有关 酸的电离度越大 对材料的破坏作用也越大 酸的温度升高 离解度增大 其破坏作用也就增强 酸的粘度会影响它们通过孔隙向材料内部扩散的速度 其腐蚀作用也不同 9 2 2典型材料的耐蚀性 1 玻璃玻璃是非晶的无机非金属材料 在人们的印象中 玻璃较金属耐蚀 因而总认为它是惰性的 实际上 许多玻璃在大气 弱酸等介质中 都可用肉眼观察到表面污染 粗糙 斑点等腐蚀迹象 21 可编辑 原料 纯碱 石灰石 石英 设备 玻璃熔炉 条件 高温 原理 成分 性质 Na2CO3 SiO2 Na2SiO3 CO2 CaSiO3 Na2SiO3 SiO2 用途 透明 质脆 在较低温度下软化 在各领域有广泛用途 高温 高温 CaCO3 SiO2 CaSiO3 CO2 或CaO Na2O SiO2 1 玻璃的组成和结构玻璃的组成 以Si02为主要 并含有R20 RO R代表碱金属或碱土金属 AL203 B203等多种氧化物 实践表明 玻璃具有很好的耐酸性 而耐碱性相对较差些 这与材料的组成和结构密切相关 2 玻璃的腐蚀性 玻璃与水及水溶液接触时 可以发生 溶解和化学反应 溶解 Si02是玻璃最主要的组元 pH值对可溶性Si02的影响图示出 当pH 8 Si02在水溶液中的溶解量很小 当pH 9 溶解量则迅速增大 这种效应因为 1 在酸性溶液中 要破坏所形成的酸性硅酸盐困难 因而溶解少而慢 2 在碱性溶液中 Si OH的形成容易 故溶解度大 化学反应包括 a 水解 b 在酸 碱 盐水溶液中的腐蚀 c 玻璃的风化 除以上普遍性的腐蚀外 d 由于相分离所导致的选择性腐蚀 水解与腐蚀 含有碱金属或碱土金属离子R Na Ca2 等 的硅酸盐玻璃与水或酸性溶液接触时 不是 溶解 而是发生了 水解 这时 所要破坏的是Si O R 而不是Si O Si 这种反应起源 H 与玻璃中网络外阳离子 主要是碱金属离子 的离子交换 此反应实质是弱酸盐的水解 由于H 减少 PH值提高 从而开始了OH 对玻璃的侵蚀 上述离子交换产物可进一步发生水化反应 随着这一水化反应的进行 破璃中脆弱的硅氧网络被破坏 从而受到侵蚀 但是反应产物Si OH 4是一种极性分子 它能使水分子极化 而定向地附着在自己的周围 成为Si OH 4 nH20 这是一个高度分散的Si02 H2O系统 称为硅酸凝胶 其除一部分溶于溶液外 大部分附着在材料表而 形成硅胶薄膜 随着硅胶薄膜的增厚 H 与Na 的交换速度越来越慢 从而阻止腐蚀继续进行 此过程受H 向内扩散的控制 因此 在酸性溶液中 R 为H 所置换 但Si O Si骨架未动 所形成的胶状产物又能阻止反应继续进行 故腐蚀较少 在碱性溶液中不同 OH 通过如下反应 使Si O Si链断裂 非桥氧Si0 群增大 结构被破坏 Si02溶出 玻璃表面不能生成保护膜 因此腐蚀较水或酸性溶液为重 并不受扩散控制 氢氟酸的腐蚀反应为 玻璃的风化 玻璃和大气的作用称为风化 玻璃风化特点 在表面出现雾状薄膜 或者点状 细线状模糊物 有时出现彩虹 风化严重时 玻璃表面形成白霜 因而失去透明 甚至产生平板玻璃粘片现象 风化大都发生于玻璃储藏 运输过程中 温度 湿度比较高 通风不良的情况下 化学稳定性比较差的玻璃在大气和室温条件也能发生风化 机理 玻璃在大气中风化时 首先吸附大气中的水 在表面形成一层水膜 通常湿度越大 吸附水分越多 然后 吸附水中的H30 或H 与玻璃中网络外阳离子进行离子交换和碱侵蚀 破坏硅氧骨架 由于风化时表面产生的碱不会移动 故风化始终在玻璃表面上进行 随时间增加而变得严重 大气中含有的CO2和SO2气体 会加速玻璃的风化 选择性腐蚀 在多元系中 通过热处理可以形成双向组织 弥散相分布在高Si02基体之中 双向组织的玻璃在酸中发生了选择性腐蚀 弥散相受侵 而高Si02的基体没有变化 从而形成硫松的玻璃 2 混凝土 混凝土是一种很复杂的复合材料 它是砾石 卵石 碎石或炉渣在水泥或其他胶结材料中的凝聚体 用量最大的胶结材料是水泥 水泥的主要组元是氧化物 1 结构 水合硬化 水泥在混凝土中由于水合作用而变硬 成为 水泥石 它的组成取决于水泥中各组元的水合反应 其中C 表示水泥或其它胶结材料 A 表示粗细骨料 水泥水合硬化时还出现了另一个结构参数即孔隙 它的大小 分布和含量对混凝土的力学和耐蚀性能有着重要的影响 混凝土结构大多在室外遭受大气 河水 海水或土壤的腐蚀 而在地下或阴暗的场所 例如排污水的混凝土管道 还有微生物腐蚀 混凝土结构中有孔隙 因而腐蚀性流体既可在混凝土结构的表而发生反应 也可通过孔隙渗进 在内部发生溶解或化学反应 这些作用的产物也可通过孔隙而流出 2 腐蚀 浸析腐蚀 可以预期 水泥砂浆和混凝土的强度损失将随石灰浸析量的增加而增加 化学反应引起的腐蚀 环境中的CO2 游离酸 碱 镁盐等化合物可与混凝土中某些组元发生反应 而使后者受到腐蚀 室温下混凝土结构的腐蚀主要是水和水溶液腐蚀 可分为两类 1 浸析腐蚀 即水或水溶液从外部渗入混凝土结构 溶解其易溶的组分 从而破坏混凝土 2 化学反应引起的腐蚀 即水或水溶液在混凝上表面或内部与混凝上某些组元发生化学变化 从而破坏混凝土 1 酸性软水的腐蚀 含有CO2的软水将会腐蚀水泥产物中的Ca OH 及CaCO3 在硬水中 沉积的碳酸盐层 可以保护水泥石而使之腐蚀速度很低 对混凝土几乎不腐蚀 2 硫酸盐水溶液的腐蚀 可溶性硫酸盐可与水泥中水合产物发生化学反应 导致体积膨胀或崩解 碱金属硫酸盐不能腐蚀水合的硅酸钙 硫酸铵可腐蚀ca oH 2 硫酸铵是混凝土的强腐蚀性介质 CaSO4 BaSO4 PbSO4等虽可腐蚀混凝土 但它们的溶解度小 因而腐蚀速度很小 常见的有两类问题 9 3陶瓷基复合材料的腐蚀 若陶瓷基复合材料的组成相之间化学上相容 那么 此材料的热稳定性由熔点 组元的分解或组元与周围环境的反应 通常是氧化反应 等来决定 预测复合材料的氧化及高温腐蚀行为极其困难 通常 某一组元的氧化行为 在热力学和动力学上要受其他组元的影响 组成相与杂质的界面在许多情况下也显著影响氧化行为 因此 复合材料的腐蚀行为 通常不能从组元的性质来推得 对于氧化反应 可把陶瓷基复合材料的组成相分成三类 1 氧化物 本身不氧化 然而 在其他氧化物或杂质与氧同时存在时 可形成低熔点的混合氧化物或玻璃 2 si的非氧化物 特别是SiC Si3N4 MoSi2 假设体系中的氧偏压不太低 那么就会在其上形成一有效的SiO2保护层 从而限制氧化反应速度 3 其他非氧化物 抗氧化能力相对较差 在温度低于1000