先进陶瓷的耐腐蚀性和化学稳定性

先进陶瓷因其卓越的耐腐蚀性和化学稳定性，尤其是在高温、强酸/碱和腐蚀性气体等恶劣环境下，已在关键行业中引起日益增长的关注。与金属和工程塑料相比，先进陶瓷在化学腐蚀条件下拥有无与伦比的寿命和性能，使其成为半导体加工、化学工业、航空航天和能源应用领域中不可或缺的材料。

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什么是耐腐蚀性？它为何重要？

耐腐蚀性是指材料在暴露于酸、碱、盐等化学环境时保持其结构和性能而不发生降解的能力。

氧化铝 (Al₂O₃)、氧化锆 (ZrO₂)、碳化硅 (SiC)和氮化硅 (Si₃N₄)等先进陶瓷是无机非金属材料，具有强离子键或共价键。这使得它们的耐腐蚀性能远超大多数金属和工程塑料。

对于先进陶瓷来说，这一特性至关重要，因为：

  • 它延长了化学反应器、熔炉和气体管道中组件的使用寿命。
  • 它可以防止污染，这对于半导体和生物医学应用至关重要。
  • 即使在热应力和化学应力下，它也能保持机械完整性。

先进陶瓷的化学稳定性优势

  • 在酸性/碱性环境中的惰性：适用于反应器、泵衬里、密封件。
  • 抗氧化性：特别是高温下的SiC和Si₃N₄。
  • 无电化学腐蚀：陶瓷是电绝缘的。
  • 无环境应力开裂：与许多塑料不同。
  • 生物相容性：可安全用于生物医学和食品接触设备。

影响陶瓷耐腐蚀性能的因素

  • 晶粒边界纯度：杂质会产生微电偶点。
  • 孔隙率：致密的陶瓷在腐蚀环境中表现更佳。
  • 相组成：某些次生相可能会溶解在化学物质中。
  • 工作温度：某些陶瓷在 1000°C 以上会氧化或降解。

陶瓷在腐蚀性介质中的溶解速率（实验数据）

下表列出了主要陶瓷材料在常见腐蚀介质中测得的溶解速率，表明了它们的长期化学耐久性：

材料 中等的 温度 期间 溶解速率（毫克/平方厘米/天）
Aluminum oxide (Al₂O₃) 盐酸 (10%) 100°C  24小时 ~0.02
Zirconium oxide (ZrO₂) 硫酸 (30%) 150°C  24小时 ~0.015
ZTA20 盐酸 (10%) 100°C  24小时 ~0.025
Silicon Nitride (Si₃N₄) 氢氧化钠（20%） 80°C  72小时 ~0.01
Aluminum Nitride (AlN) 去离子水（pH 7） 室温 7天 ~0.5
Silicon Carbide (SiC) 硝酸₃（50%） 120°C 48小时  <0.01
Beryllium oxide (BeO) 盐酸 (10%) 90°C 24小时 ~0.02
六方氮化硼（h-BN） 硫酸 (98%) 100°C 24小时  ~0.15
MGC（可加工玻璃陶瓷） 氢氧化钠（10%） 80°C 24小时 ~0.2

注意：AlN 和 MGC 等材料在水或碱性溶液中反应性更强，而 SiC 和 Al₂O₃ 在酸和碱中均表现出极端的惰性。

*Data is for reference only.

主要陶瓷材料：特性和用途

点击蓝色字体可查看各先进陶瓷材料的详细信息：

材料 化学稳定性亮点 常见应用
Aluminum oxide (Al₂O₃) 在酸性和碱性介质中具有高度惰性 半导体装置、医疗植入物
Zirconium oxide (ZrO₂) 在酸性条件下稳定；耐碱性有限 泵、阀门、传感器
ZTA20 提高韧性和耐腐蚀性 结构部件、磨损部件
Silicon Nitride (Si₃N₄) 具有很强的抗酸和抗热氧化能力 燃气轮机、汽车发动机零件
Aluminum Nitride (AlN) 耐化学性好，导热性高 电子基板、散热器
Silicon Carbide (SiC) 对几乎所有化学品均具有出色的抵抗力 化学反应器、密封件、热交换器
Beryllium oxide (BeO) 化学性质稳定，热性能优良 军用电子、空间系统
Boron Nitride (BN) 即使在高温下也保持惰性、不发生反应 坩埚、反应性气氛中的绝缘体
Machinable Glass Ceramics (MGC) 耐化学性好，易于加工 原型、真空零件

相关知识点：

  • 化学键：陶瓷中的离子键和共价键使其反应性降低。
  • 钝化：一些陶瓷（例如 ZrO₂、SiC）形成稳定的氧化层，可抵抗进一步的侵蚀。
  • 无金属氧化：陶瓷不会像金属那样生锈或腐蚀。
  • 不软化：陶瓷保持强度，不会像聚合物那样膨胀或溶解。

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常见材料耐腐蚀性能比较

该图显示了各种先进陶瓷材料在三种典型腐蚀介质中的溶解速率对比（单位：mg/cm²/天），便于直观地了解各种先进陶瓷材料在酸、碱、盐环境中的化学稳定性。

Corrosion Resistance Chart
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*Data is for reference only.

基于陶瓷耐腐蚀性能的应用

  • 所用陶瓷：氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）
  • 应用示例：在输送盐酸、硫酸、氢氧化钠等强腐蚀性流体时，金属部件容易腐蚀。采用碳化硅陶瓷泵壳、叶轮、轴套等材料，可延长使用寿命，减少维护频率。
  • 优点：耐腐蚀、耐磨性能优良，适合连续运转。

  • 所用陶瓷：高纯度氧化铝（99.99% Al₂O₃）、氮化铝（AlN）
  • 应用示例：在半导体清洗工艺（例如 RCA 清洗）中，氢氟酸、臭氧水和过氧化氢等高腐蚀性化学品需要化学稳定性材料。高纯度氧化铝陶瓷阀座和泵密封件可确保纯度和耐用性。
  • 优点：化学惰性、无离子污染、高温稳定性。

  • 所用陶瓷：碳化硅（SSiC）、氧化锆增韧氧化铝（ZTA）
  • 应用示例：在脱硫塔中，二氧化硫和氯化氢等腐蚀性气体会对设备造成严重损坏。碳化硅陶瓷喷嘴和热交换器内衬可抵抗化学腐蚀和颗粒侵蚀。
  • 优点：耐腐蚀、耐冲刷，大大延长使用寿命。

  • 所用陶瓷：氮化硅（Si₃N₄）、氧化铝（Al₂O₃）
  • 应用示例：FCC 装置在含硫高温环境中运行。金属热电偶套管外壳性能下降很快，而氮化硅陶瓷热电偶套管即使在长期使用后也能保持精确的温度监测。
  • 优点：热稳定性、化学稳定性高，抗热震性好。

  • 所用陶瓷：氧化锆（ZrO₂）、高纯度氧化铝（Al₂O₃）
  • 应用示例：在药品生产过程中，化学成分和pH值变化很大。氧化锆陶瓷密封件在保持机械强度的同时，还能确保生物相容性和耐化学性。
  • 优点：化学性质稳定，生物相容性好，无离子浸出。

  • 所用陶瓷：氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）
  • 应用示例：在碱性造纸或酸性染色环境中，金属刮刀容易腐蚀或磨损，影响产品均匀性。陶瓷刮刀可提供更长的使用寿命和更佳的涂层一致性。
  • 优点：耐腐蚀、耐磨、无污染。

  • 所用陶瓷：碳化硅 (SSiC)、氮化硅 (Si₃N₄)
  • 应用示例：在稀土分离或氢氟酸浸出过程中，传统金属会迅速失效。陶瓷衬里和桨叶可抵抗氢氟酸腐蚀和机械冲击。
  • 优点：以经济的方式替代昂贵的合金，如钽或哈氏合金。

  • 所用陶瓷：氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）
  • 应用示例：在反渗透 (RO) 系统中，海水的高盐度会腐蚀金属部件。陶瓷部件可抵抗氯离子腐蚀和结垢，确保长期稳定性。
  • 优点：持久、防垢、耐氯化物。

  • 所用陶瓷：氮化铝 (AlN)、氧化铍 (BeO)、碳化硅 (SiC)
  • 应用示例：在核反应堆或放射性废物处理中，金属材料在恶劣环境下会劣化。先进的陶瓷具有化学惰性和低中子吸收率。
  • 优点：耐辐射、化学稳定性高、使用寿命长。

  • 所用陶瓷：氧化锆（ZrO₂）、氧化铝（Al₂O₃）
  • 应用示例：饮料灌装系统需要不与酸性物质发生反应的材料。陶瓷部件可确保耐腐蚀性和食品级安全性。
  • 优点：食品安全、耐腐蚀、不浸出

重要的陶瓷材料

Silicon Nitride Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zihao Ceramics

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Silicon Carbide Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zihao Ceramics

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Zirconia Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zhihao Ceramics

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Frequently Asked Questions (FAQ)

碳化硅 (SiC)通常排名最高，因为它在酸性和氧化条件下都具有出色的惰性。

是的。在很多情况下，氧化铝、氧化锆和碳化硅等先进陶瓷的耐腐蚀性能明显优于SS316L，尤其是在酸性和高温应用中。

大多数先进陶瓷在酸中的溶解速度极低。但 AlN和MGC除外，它们在潮湿或碱性溶液中稳定性较差。

陶瓷通常更耐化学腐蚀，但在机械应力下会变得更脆。

是的。高密度（低孔隙率）陶瓷由于表面积暴露减少，耐腐蚀性更佳。

不会。它们的稳定性取决于陶瓷和介质的化学性质。例如，氮化铝在水中会水解。

金属容易通过电化学反应腐蚀，尤其是在酸性或盐介质中。陶瓷是无机非金属材料，其化学键合方式能够抵抗大多数腐蚀机制。

是的，氧化铝、碳化硅和ZTA等材料具有广谱耐腐蚀性。然而，氧化锆和氮化铝在强碱环境中可能会随着时间的推移而降解。

很少有材料能够很好地耐受HF。即使是氧化铝和二氧化硅基陶瓷也可能溶解于HF。在这种情况下，应使用BN或特定的氟化材料。