ความต้านทานการกัดกร่อนและความเสถียรทางเคมีของเซรามิกขั้นสูง

เซรามิกขั้นสูงได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมที่สำคัญเนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนและความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง กรด/ด่างเข้มข้น และก๊าซกัดกร่อน เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะและพลาสติกวิศวกรรม เซรามิกขั้นสูงมีความทนทานและประสิทธิภาพที่ไม่มีใครเทียบได้ภายใต้สภาวะกัดกร่อนทางเคมี ทำให้เป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรมเคมี อวกาศ และพลังงาน

ความต้านทานการกัดกร่อน

อะไรคือความต้านทานการกัดกร่อน? ทำไมมันถึงมีความสำคัญ?

ความต้านทานการกัดกร่อน หมายถึง ความสามารถของวัสดุในการรักษาโครงสร้างและสมบัติของมันไว้โดยไม่เสื่อมสภาพ เมื่อถูกสัมผัสกับสภาพแวดล้อมทางเคมี เช่น กรด ด่าง และเกลือ

เซรามิกขั้นสูง เช่น อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃), เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO₂), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่มีคุณสมบัติเป็นโลหะ ซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีพันธะไอออนิกหรือพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรงมาก คุณสมบัตินี้ทำให้วัสดุเหล่านี้มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าโลหะและพลาสติกวิศวกรรมส่วนใหญ่

สำหรับเซรามิกขั้นสูง คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจาก:

  • มันช่วยยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนในเครื่องปฏิกรณ์ทางเคมี เตาหลอม และท่อส่งก๊าซ
  • มันป้องกันการปนเปื้อน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในเซมิคอนดักเตอร์และชีวการแพทย์
  • มันยังคงรักษาความสมบูรณ์ทางกลไว้ได้แม้ภายใต้ความเครียดทางความร้อนและสารเคมี

ข้อได้เปรียบด้านความเสถียรทางเคมีของเซรามิกขั้นสูง

  • เฉื่อยในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด/ด่าง: เหมาะสำหรับใช้ในถังปฏิกรณ์, ผิวบุปั๊ม, และซีล
  • ความต้านทานการออกซิเดชัน: โดยเฉพาะ SiC และ Si₃N₄ ที่อุณหภูมิสูง
  • ไม่มีการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมี: เซรามิกเป็นฉนวนไฟฟ้า
  • ไม่มีการแตกร้าวจากความเครียดทางสิ่งแวดล้อม: ต่างจากพลาสติกหลายชนิด
  • ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: ปลอดภัยสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์ที่สัมผัสกับอาหาร

ปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนของเซรามิก

  • ความบริสุทธิ์ของขอบเมล็ด: สิ่งเจือปนอาจก่อให้เกิดเซลล์กัลวานิคขนาดเล็ก
  • ความพรุน: เซรามิกที่มีความหนาแน่นสูงจะมีประสิทธิภาพดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน
  • องค์ประกอบ: เฟสทุติยภูมิบางชนิดอาจละลายในสารเคมี
  • อุณหภูมิในการทำงาน: เซรามิกบางชนิดอาจเกิดการออกซิไดซ์หรือเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 1000°C

อัตราการละลายของเซรามิกในสภาวะกัดกร่อน (ข้อมูลการทดลอง)

ตารางด้านล่างแสดงอัตราการละลายที่วัดได้สำหรับวัสดุเซรามิกหลักในสื่อกัดกร่อนทั่วไป ซึ่งบ่งชี้ถึงความทนทานทางเคมีในระยะยาวของวัสดุเหล่านี้:

วัสดุ ปานกลาง อุณหภูมิ ในช่วงเวลานี้ อัตราการละลาย (มิลลิกรัม/ตารางเซนติเมตร/วัน)
อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) กรดไฮโดรคลอริก (10%) 100°C  24 ชั่วโมง ~0.02
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) กรดซัลฟิวริก (30%) 150°C  24 ชั่วโมง ~0.015
ZTA20 กรดไฮโดรคลอริก (10%) 100°C  24 ชั่วโมง ~0.025
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) โซเดียมไฮดรอกไซด์ (20%) 80°C  72 ชั่วโมง ~0.01
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) น้ำปราศจากไอออน (pH 7) อุณหภูมิห้อง 7 วัน ~0.5
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) กรดไนตริก₃ (50%) 120°C 48 ชั่วโมง  น้อยกว่า 0.01
ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO) กรดไฮโดรคลอริก (10%) 90°C 24 ชั่วโมง ~0.02
บอรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) กรดซัลฟิวริก (98.1%) 100°C 24 ชั่วโมง  ~0.15
MGC (กระจกเซรามิกที่สามารถกลึงได้) โซเดียมไฮดรอกไซด์ (10%) 80°C 24 ชั่วโมง ~0.2

หมายเหตุ: วัสดุเช่น AlN และ MGC แสดงปฏิกิริยาสูงในน้ำหรือสารละลายด่าง ในขณะที่ SiC และ Al₂O₃ แสดงความเฉื่อยสูงมากในทั้งกรดและด่าง

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

วัสดุเซรามิกหลัก: คุณสมบัติและการประยุกต์ใช้

คลิกที่ข้อความสีน้ำเงินเพื่อดูข้อมูลรายละเอียดเกี่ยวกับวัสดุเซรามิกขั้นสูงต่างๆ:

วัสดุ คุณสมบัติหลักของความเสถียรทางเคมี การใช้งานทั่วไป
อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) เฉื่อยสูงในทั้งสภาวะกรดและด่าง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์, การฝังในร่างกายทางการแพทย์
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) เสถียรภายใต้สภาวะกรด; มีความต้านทานจำกัดต่อสภาวะด่าง ปั๊ม, วาล์ว, เซ็นเซอร์
ZTA20 เพิ่มความแข็งแกร่งและความต้านทานการกัดกร่อน ส่วนประกอบโครงสร้าง, ชิ้นส่วนสึกหรอ
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) มีความต้านทานสูงต่อกรดและการออกซิเดชันจากความร้อน ส่วนประกอบของกังหันแก๊สและเครื่องยนต์รถยนต์
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ทนต่อสารเคมีได้ดีเยี่ยม, การนำความร้อนสูง แผงวงจรไฟฟ้า, ฮีตซิงค์
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แสดงการต้านทานที่ยอดเยี่ยมต่อสารเคมีเกือบทุกชนิด เครื่องปฏิกรณ์ทางเคมี, ซีล, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO) มีเสถียรภาพทางเคมีพร้อมคุณสมบัติทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม อิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร, ระบบอวกาศ
บอร์อน ไนไตรด์ (BN) ยังคงอยู่ในสภาพเฉื่อยและไม่เกิดปฏิกิริยาแม้ในอุณหภูมิสูง ครุบิส, ฉนวนในบรรยากาศที่มีปฏิกิริยา
เซรามิกแก้วที่สามารถตัดได้ (MGC) ทนต่อสารเคมีได้ดี, ง่ายต่อการประมวลผล ต้นแบบ, ชิ้นส่วนสุญญากาศ

ความรู้ที่เกี่ยวข้อง:

  • พันธะเคมี: พันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์ภายในเซรามิกช่วยลดความสามารถในการทำปฏิกิริยาของพวกมัน
  • การทำให้เป็นสภาพ: เซรามิกบางชนิด (เช่น ZrO₂ และ SiC) สามารถสร้างชั้นออกไซด์ที่เสถียรซึ่งต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มเติมได้
  • ไม่มีการเกิดออกซิเดชันของโลหะ: เซรามิกไม่เกิดสนิมหรือการกัดกร่อนเหมือนโลหะ
  • ไม่อ่อนตัว: เซรามิกยังคงความแข็งแรงและไม่พองหรือละลายเหมือนพอลิเมอร์

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกเซรามิกที่เหมาะสมหรือไม่?

การเลือกวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ไม่ว่าคุณจะต้องการเซรามิกที่มีฐานเป็นเซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ หรืออะลูมินา วัสดุของเรามอบความแข็งแรง ความทนทาน และความแม่นยำที่เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม

ทีมเทคนิคของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณ – กรุณาติดต่อเราทันที และเราจะให้คำแนะนำที่มืออาชีพและปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะของคุณ

การเปรียบเทียบสมบัติต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุทั่วไป

แผนภาพนี้แสดงอัตราการละลายเปรียบเทียบของวัสดุเซรามิกขั้นสูงชนิดต่าง ๆ ในสารกัดกร่อนสามประเภททั่วไป (หน่วย: มิลลิกรัมต่อตารางเซนติเมตรต่อวัน) ช่วยให้เข้าใจภาพรวมเกี่ยวกับความเสถียรทางเคมีของวัสดุเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด ด่าง และน้ำเกลือ

ตารางความต้านทานการกัดกร่อน
คลิกที่วัสดุเพื่อดูรายละเอียด:
คลิกที่วัสดุด้านบนเพื่อดูข้อมูลการกัดกร่อนและวิธีการทดสอบ.

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

แอปพลิเคชันที่อิงตามความต้านทานการกัดกร่อนของเซรามิก

  • เซรามิกที่ใช้: ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: เมื่อลำเลียงของเหลวที่มีความกัดกร่อนสูง เช่น กรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟิวริก และโซเดียมไฮดรอกไซด์ ส่วนประกอบโลหะมักเกิดการกัดกร่อนได้ง่าย การใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับตัวปั๊ม ใบพัด ปลอกเพลา และส่วนประกอบที่คล้ายกัน สามารถยืดอายุการใช้งานและลดความถี่ในการบำรุงรักษา
  • ข้อดี: มีความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม เหมาะสำหรับการใช้งานต่อเนื่อง
  • เซรามิกที่ใช้: อะลูมินาความบริสุทธิ์สูง (99.991% Al₂O₃), ไนไตรด์อะลูมิเนียม (AlN)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในกระบวนการทำความสะอาดเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น การทำความสะอาดแบบ RCA) สารเคมีที่มีความกัดกร่อนสูง เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก น้ำโอโซน และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความเสถียรทางเคมี ฝาครอบวาล์วเซรามิกอะลูมินาบริสุทธิ์สูงและซีลปั๊มรับประกันทั้งความบริสุทธิ์และความทนทาน
  • ข้อดี: ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี ปราศจากการปนเปื้อนของไอออน และมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง
  • เซรามิกที่ใช้: ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), อะลูมินาเสริมความแข็งแรงด้วยเซอร์โคเนีย (ZTA)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ภายในหอถังกำจัดกำมะถัน ก๊าซกัดกร่อน เช่น ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์ สามารถสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงต่ออุปกรณ์ หัวฉีดเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และวัสดุบุภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีความทนทานต่อการกัดกร่อนทางเคมีและการกัดกร่อนจากอนุภาค
  • ข้อดี: ทนต่อการกัดกร่อนและทนต่อการชะล้าง ช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมีนัยสำคัญ
  • เซรามิกที่ใช้: ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄), อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: หน่วย FCC ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและมีซัลเฟอร์สูง. ปลอกเทอร์โมคัปเปิลโลหะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ปลอกเทอร์โมคัปเปิลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์สามารถรักษาการตรวจสอบอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำแม้ใช้งานเป็นเวลานาน.
  • ข้อดี: มีความเสถียรทางความร้อนและทางเคมีสูง พร้อมด้วยความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่ยอดเยี่ยม
  • เซรามิกที่ใช้: ซิริงโคเนียมออกไซด์ (ZrO₂), อะลูมินาความบริสุทธิ์สูง (Al₂O₃)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในระหว่างกระบวนการผลิตยา สารประกอบทางเคมีและระดับ pH จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ซีลเซรามิกเซอร์โคเนียสามารถรักษาความแข็งแรงทางกลไว้ได้ ในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความต้านทานต่อสารเคมี
  • ข้อดี: มีความเสถียรทางเคมี, มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยม, และไม่มีการละลายของไอออน
  • เซรามิกที่ใช้: อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในกระบวนการผลิตกระดาษที่เป็นด่างหรือการย้อมสีที่เป็นกรด ใบมีดโลหะมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนหรือการสึกหรอ ส่งผลให้ความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ลดลง ใบมีดเซรามิกมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าและมีความสม่ำเสมอของการเคลือบที่ดีกว่า
  • ข้อดี: ทนต่อการกัดกร่อน, ทนต่อการสึกหรอ, ปราศจากมลพิษ.
  • เซรามิกที่ใช้: ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในกระบวนการแยกแร่ธาตุหายากหรือการชะล้างด้วยกรดไฮโดรฟลูออริก โลหะทั่วไปจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว เคลือบเซรามิกและใบพัดสามารถทนต่อการกัดกร่อนของกรดไฮโดรฟลูออริกและแรงกระแทกทางกลได้
  • ข้อดี: เป็นทางเลือกที่ประหยัดกว่าโลหะผสมที่มีราคาสูง เช่น แทนทาลัมหรือฮาสเตลโลย์
  • เซรามิกที่ใช้: อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในระบบรีเวิร์สออสโมซิส (RO) ความเค็มสูงของน้ำทะเลกัดกร่อนส่วนประกอบโลหะ ส่วนประกอบเซรามิกทนต่อการกัดกร่อนของไอออนคลอไรด์และการเกิดตะกรัน ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรในระยะยาว
  • ข้อดี: คงทนยาวนาน, ป้องกันการเกิดคราบตะกรัน, ทนต่อคลอไรด์
  • เซรามิกที่ใช้: ไนไตรด์อะลูมิเนียม (AlN), ออกไซด์เบอริลเลียม (BeO), คาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือการแปรรูปของเสียกัมมันตรังสี วัสดุโลหะเสื่อมสภาพภายใต้สภาวะที่รุนแรง เซรามิกขั้นสูงมีความเฉื่อยทางเคมีและมีอัตราการดูดกลืนนิวตรอนต่ำ
  • ข้อดี: ทนทานต่อรังสี, มีความคงตัวทางเคมีสูง, มีอายุการใช้งานยาวนาน
  • เซรามิกที่ใช้: ซิริงค์ออกไซด์ (ZrO₂), อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)
  • ตัวอย่างการใช้งาน: ระบบบรรจุเครื่องดื่มต้องการวัสดุที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารที่มีกรด ส่วนประกอบเซรามิกช่วยให้มั่นใจในความทนทานต่อการกัดกร่อนและความปลอดภัยในระดับอาหาร
  • ข้อดี: ความปลอดภัยของอาหาร, ความต้านทานการกัดกร่อน, ไม่ละลาย

วัสดุเซรามิกที่สำคัญ

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้รับการจัดอันดับสูงสุดโดยทั่วไปเนื่องจากความเฉื่อยที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาวะที่เป็นกรดและออกซิไดซ์

จริง ๆ แล้ว ในหลายกรณี ความต้านทานการกัดกร่อนของเซรามิกขั้นสูง เช่น อะลูมินา, ซิรโคนิอา และซิลิคอนคาร์ไบด์ ได้แสดงให้เห็นว่ามีความเหนือกว่า SS316L อย่างชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่เป็นกรดและอุณหภูมิสูง

เซรามิกขั้นสูงส่วนใหญ่แสดงอัตราการละลายในกรดต่ำมาก อย่างไรก็ตาม AlN และ MGC เป็นข้อยกเว้น โดยมีความเสถียรต่ำในสารละลายที่มีความชื้นหรือเป็นด่าง

เซรามิกโดยทั่วไปมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนทางเคมีมากกว่า แต่จะเปราะขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้แรงกดดันทางกล

ใช่ เซรามิกที่มีความหนาแน่นสูง (มีรูพรุนต่ำ) แสดงให้เห็นถึงความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่าเนื่องจากมีพื้นที่ผิวสัมผัสที่ลดลง

ไม่. ความเสถียรของมันขึ้นอยู่กับสมบัติทางเคมีของเซรามิกและตัวกลาง. ตัวอย่างเช่น อะลูมิเนียมไนไตรด์เกิดการไฮโดรไลซิสในน้ำ.

โลหะมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนผ่านปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี โดยเฉพาะในสภาวะที่เป็นกรดหรือมีเกลือเป็นส่วนประกอบ เซรามิกซึ่งเป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ มีรูปแบบการเชื่อมโยงทางเคมีที่ต้านทานกลไกการกัดกร่อนส่วนใหญ่ได้

แท้จริงแล้ว วัสดุเช่น อะลูมินา, ซิลิคอนคาร์ไบด์ และ ZTA แสดงความต้านทานการกัดกร่อนในวงกว้าง อย่างไรก็ตาม ซิรโคเนียและอะลูมิเนียมไนไตรด์อาจเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไปในสภาพแวดล้อมที่มีความเป็นด่างสูง

วัสดุที่มีคุณสมบัติต้านทานกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) ได้ดีนั้นมีน้อยมาก แม้แต่เซรามิกที่มีส่วนผสมของอะลูมินาหรือซิลิกาก็อาจละลายใน HF ได้เช่นกัน ในกรณีเช่นนี้ ควรเลือกใช้บอรอนไนไตรด์หรือวัสดุที่มีฟลูออรีนเป็นส่วนประกอบเฉพาะ