sioの作用機能は、sioの二酸化硫黄と同等である
窒化ケイ素がほとんどの酸性環境に対してほぼ完全な耐性を示す主な理由は、そのバルクの化学的不活性性だけでなく、aを形成する能力にある自己治癒ナノ厚の不動態化層です二酸化ケイ素(sio)を酸化剤、水、蒸気に溶かしたもの。この層として運動通さjr4番のりばと積極的な環境の間Si₃、さらに潜在化したN₄行列。
図1:sioの不動態化層の形成と保護機構
Oxidation-Driven鈍化
酸化酸(HNO₃、H₂₄)または確信碑が建てソリューション表面Si₃N₄によって酸化しSiOへ₂。のの奥歯の量がSiO₂Si₃N₄オムツを上回り、結果として生じる映画は高度軽いような圧縮stress-making下に付きcrack-free、さらにイオン輸送を通さない。
分解&治癒
純水又は蒸気はSi₃N₄をスロー分解:Si₃N₄+示して₂O→3SiO₂+ 4NH₃。二酸化硫黄は二酸化硫黄を保護する。機械的に着用場合(例えば、国璽回転印面)、摘発されたたてSi₃N₄すぐre-passivatesにre-exposure fluid-a重要な点でアル₂O₃といったnon-self-healingな材料がより有利な立場にいる。
岸から遠ざかって行く債券熱力学&視聴覚Inertness
表面鈍化を越えると、バルクエスアイ₃の化学inertness N₄はその根本的な原子構造に根ざしている。窒化ケイ素はaです強い共有結合性の化合物si-n結合のエネルギーは、局所的な配位に依存して約335 ~ 470 kj /molである。これらの結合を破壊するには膨大な活性化エネルギーが必要であり、200°c以下の温度では水媒体中の自発溶解は速度論的に無視できるほど小さい。
違って(視聴覚oxidation-reduction反応経由)を腐食金属イオン陶磁器(解散イオン交換経由)、高度指向性共有結合Si₃N₄にに電離解決策にはなりません陽極またはcathodicところはなくSi₃N₄表面にレンダリングガルバニック腐食、孔食腐食、および隙間腐食は完全に存在しません。なぜこの視聴覚inertnessがこれSi₃N₄でドア金属と直接接触することで使うことができる結合のない65 pt干し環境リスクを負わない作ろうと
大切な例外ですHFと熱いH₃阿波₄"
フッ素は酸素よりも電気陰性度が高く、シリコンとの親和性が高い。フッ酸(HF)積極的には保護SiO溶ける₂層を形成する揮発性シフ₄ガス裸暴露Si₃N₄连绵と続いて、快速襲撃してくるかも分から濃度。同様に、熱い集中リン酸(以上₄岛)H₃踊りあかす150°C行為それは要り溶剤だな-両方にとってSiO₂とSi₃N₄。この2つの化学物質は厳重にSi₃的に避けられなければならN₄成分デザイン。
穀物境界脆弱性& Devitrification工学
Si₃ながらN₄穀類を嫌いだは事実上思っであること最も化学純粋なSi₃N酸化₄絡みがのない添加物(Y₂O₃、アル・₂O₃MgO)。液相焼結中、これらの添加剤は表面シリカと反応してanを形成しますアモルファスガラス窒化物相穀物の境界と3つのジャンクションで。この段階はどんよりthermodynamicallyを超えて化学的に活性という結晶Si₃て安定性が落ちるN₄。
積極的な環境(特に高温のアルカリと過熱した蒸気)では、この粒間ガラスが適しています選択的にleached、「子供を穀物fall-out"その中の完全なSi₃N₄2粒肉眼では座り込みない。ここが支配的な腐食のメカニズムの化環境の要因はstandard-grade Si₃N厳しい化学失敗₄早期服務できるように定めている。
解決策:後焼結脱焼アニール
高級corrosion-resistant Si₃N₄成績を受ける1400-1600°cでのdevitrification熱処理先端セラミック。これ軍のアモルファス境界粒の安定性にガラス結晶化するのに高い耐火性てしまってい(例えば、Y₂Si₂O₇melilite、モロキサイト)。結晶粒界は、非晶質の結晶粒界と比較して化学浸出に対する耐性が桁違いに高く、高温アルカリおよび高圧蒸気での寿命を焼結材料と比較して5 ~ 10倍延長します。いつも指定devitrified年生厳しい化学薬品の用途に適しています。
化学化マトリクス类:Si₃N₄全国産業環境
以下の●耐热行列分類腐蚀性高密度、devitrified Si₃N₄全国共通産業化学環境。定格は、結晶粒界を有するgpsnグレードの材料を想定しています。
SVG図2:Si₃N₄■耐薬品性化マップと
化学処理産業における重要なアプリケーション
Si₃N₄一意机能は、破格の骨折靭性の高い化学inertness(6 ~ 8メガパスカル・m½熱ショック有しており、抵抗(ΔT > 800°C) tribological特性性に优れています。この失败モードということ疫病金属解決組み合わせによって高分子陶磁器ないし他アルが₂O₃または動的化学SiC服務できるように定めている。
メカニカルシール面&リング
課題です酸性/アルカリ性のスラリーは金属シールを破壊します;SiCアル・₂O dry-run熱ショック₃亀裂。
Si₃N₄の利点:化学inertness +ΔT > 800°C熱ショック抵抗+無給油スライド行動確信を筆頭に多くのメディアに出演。api plan 53 a / bシールシステムの業界ベンチマークであるドライランと腐食性の攻撃を同時に耐えます。
遠心ポンプ軸受&シャフト
課題ですcoocooh / hclを水中で作動させるには、起動時の耐腐食性とトルクスパイクの生存が必要である。
Si₃N₄の利点:プロセス流体の腐食がゼロであり、破壊靭性が高いため、スタートアップ時のトルクスピークでのシャフトの破断が防止されます。
浸漬ヒーター&アンプ;熱電対シース
課題です溶融al / zn / cuに直接浸漬するには、非濡れ性、非溶解性のシース材料が必要です。
Si₃N₄の利点:溶融非鉄金属に対する非濡れ性に優れています。ゼロ溶解により高純度の鋳造が可能となり、グラファイトやスチールシースと比較してヒーター寿命が延長されます。
サンドブラスト&スラリースプレーノズル
課題です高速研磨スラリー+腐食性化学薬品は、wc-coノズル(バインダー浸出)で腐食性摩耗を引き起こします。
Si₃N₄の利点:硬度hv 1600は耐摩耗性に優れ、化学的不活性性によりバインダーの劣化を防ぎます。酸性スラリーサービスにおける炭化タングステンよりも5-10×長寿命。
バルブシート&アンプ;フロー制御ボール
課題です攻撃性の高い試薬の高精度なフロー制御には、ピッチングやゴーリングのない表面仕上げを維持する必要があります。
Si₃N₄の利点:Lappableを示した<、0.01μmミラー終了する。hfフリーの酸および溶媒を扱う重要な投与システムで、穴、胆汁、または腐食を保証する漏れのない遮断を行いません。
触媒サポート&反応器ライニング
課題です高t / p反応器には構造的なライニングが必要です'tは意図しない触媒として作用したり、金属イオンを浸出させたりする。
Si₃N₄の利点:化学的に不活性、非触媒、超高純度。石油化学改質における過酷な熱サイクルおよび腐食性ガスフロー下でも、構造の完全性を維持します。
エンジニアリングよくある質問
q1:窒化ケイ素が最も強い酸に対して高い耐性を持つのはなぜですか?
シリコンnitride's酸の耐性は、2つの相乗要因に由来する。(1)水溶液中でイオン化しない共有結合si-n結合(結合エネルギー~335 ~ 470 kj /mol)の高い熱力学的安定性;(2)酸化した酸や水にさらされると、高密度でナノ厚のアモルファスsioが形成される自己修復型不活性化機構。このsioはほとんどの酸(hfを除く)には不溶で、不浸透性のキネティック・バリアとして作用する。もし、破損した機械的新鮮なSi₃N₄面すぐre-passivates re-exposure。
q2:窒化ケイ素セラミックスを腐食または溶解させる化学物質は何ですか?
Si₃N₄は攻撃に弱い4へ特別な環境:(1)フッ酸(HF)随時concentration-dissolves両SiO₂鈍化とSi₃N揮発性シフ₄形成経由₄行列は、(2)熱い集中H₃ポー₄上記150°C-solvent SiOとも₂、Si₃N₄;(3)80°c以上の高濃度アルカリ(naoh, koh)はsioを溶解させ、溶解性のケイ酸塩を生成させ、連続的なマトリックス攻撃を可能にする。(4)溶融アルカリ金属炭酸塩/水酸化物-深刻な粒界浸出。他のすべての一般的な工業酸、有機溶媒、および非鉄溶融金属は完全に適合します。
Q3:穀物境界位相事件がSiにどのように影響₃N●耐热₄腐蚀性?
Si₃N₄酸化焼成添加物を要求アモルファスすわって覆わ位相を形成する穀物境界線の一部だからですこのグラスはthermodynamicallyより安定性が落ちると化学リアクティブアーマー爆薬でできた結晶Si₃N₄粒より暑さ腐食environments-especiallyアルカリや热水steam-it選択的leachedまず、「子供を起こし穀物fall-outは反吐が出る」Post-sintering devitrification annealing(1400-1600°C)は、こういうアモルファスガラスを結晶耐火性てしまってい(例えば、Y₂Si₂O₇)、劇的に改善●耐热intergranular腐蚀性使用寿命延長など深刻では5 ~ 10×環境に直面した。
Q4:なぜはN Si₃₄をSiCや特定化学アプリケーションでアル₂O₃?
Si₃N₄一意結合スリーSiCも属性アル₂O₃は同時にするもの(1)優れた破壊靭性(6-8対3-4 mpa・m½)、機械的衝撃やシールのずれによる致命的な故障を防止します。(2)低弾性率(sicでは約310 gpa vs.約410 gpa)で、嵌合金属部品への適合性が向上し、接触応力が軽減される。(3)熱ショック抵抗に优れて(ΔT > 800°C)、生き残ったdry-run条件や快速熱は短期拘留熱伝導率の高くSiCの硬度、Si₃N₄'sの靭性-衝撃-腐食の3つのfectaは、動的な熱サイクルの化学処理装置ではかけがえのないものになります。
