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, смачивание поверхности, растворение и пропитка пор, объемные изменения в керамике.

При коррозии обычно происходит взаимная диффузия ионов (атомов) керамики и агрессивной среды. Диффузия может и не сопровождаться 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 условиями процесса коррозии, особенно происходящими на границе керамики с агрессивной средой.

Агрессивные вещества, действующие на керамику, часто представлены жидкостями (растворы кислот, оснований, солей; расплавы солей, стекол, шлаков, металлов). Особенно большое значение 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 также различные газы, в том числе ионизированные (плазма): пары воды, продукты сгорания топлива (СО, CO2), SO2, HCI, пары летучих оксидов и солей и др. Бескислородная керамика и керметы могут, кроме того, окисляться. Коррозия агрессивными газообразными средами происходит в химических реакторах, металлургических и стекловаренных печах, рекуператорах, в каналах МГД-генераторов, 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 подразделяют 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 веществами основного характера и наоборот. Так, керамика из MgO и СаО взаимодействует с парами воды, с НСl, SО2, СО2, кислыми шлаками. Керамика на основе SiO2 взаимодействует с парами и растворами щелочей, с основными расплавами.

Возможность тех или иных химических реакций между керамикой 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 достаточно редко) увеличивает пористость керамики и этим уменьшает химическую стойкость, механическую прочность и другие зависящие от пористости свойства материала.

Взаимодействие керамики с жидкостями, приводящее к изменению их состава, является важнейшим и наиболее часто встречающимся процессом. Жидкие продукты могут, в свою очередь, взаимодействовать с керамикой. Этим объясняется тот факт, что подавляющая 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 своеобразный изолирующий слой между керамикой и агрессивным агентом, но с другой - изменение физических и химических свойств часто вызывает необходимость замены керамики.

Керамические футеровки различных высокотемпературных агрегатов работают в условиях градиента температур по толщине стенки. Сочетание химического воздействия с температурным градиентом чаще всего приводит к зональному перерождению керамики. 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 химического 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 открытым. Диффузия компонентов агрессивного вещества в керамику по поверхности пор интенсивнее, чем по межзерновой фазе, а тем более по объему зерен. Глубина пропитки пористой керамики жидкостью 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 хорошо коррелирует с газопроницаемостью.

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

Растворение стенок капилляров, происходящее при этом, может приводить к шлаковой усадке. Если в порах образуются новые продукты с большим объемом, то возникающие механические напряжения могут вызывать сколы. Благодаря твердофазным окислительно-восстановительным реакциям иногда могут возникать механические напряжения, приводящие к трещинам и образованию крупных полостей.

Для повышения химической стойкости керамики в первую очередь необходимо уменьшать ее пористость, особенно открытую. Другим эффективным способом является пропитка керамики специальными 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 которого 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 межзерновая фаза, в основном имеющая после охлаждения стеклообразное строение.

Наблюдается хорошая корреляция химической стойкости керамики с уменьшением содержания в ней плавней.

Межзерновая фаза и границы зерен, являясь менее термодинамически устойчивыми, чем кристаллические зерна, легче подвергаются химическому воздействию. Поскольку наиболее крупные открытые 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 повышением чистоты основного материала. Увеличить химическую стойкость межзерновой фазы можно, например, вводя высокоогнеупорные вещества в связующую часть шихты. Эффективно использование 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 наиболее устойчивыми элементами микроструктуры керамики к химическому воздействию, однако они иногда могут вымываться агрессивной средой, еще полностью не растворившись."

Взаимодействие керамики с жидкостями и газами относится к гетерогенным процессам и может происходить в диффузионной, кинетической или смешанной областях.

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

j=D(C,-C„)/d,

где j — потеря массы твердого тела на единицу поверхности раздела 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 взаимодействия с оксидными расплавами: стеклами, шлаками и т. д. Поэтому важно знать строение расплавов оксидов и зависимость свойств, определяемых массопереносом, в расплаве (диффузия, электрическая проводимость, вязкость и т. д.) от его химического состава.

Поверхностное натяжение σ агрессивной жидкости также влияет 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 натяжение повышается, что приводит к малой пропитке и тонкому реакционному слою. Динасовые огнеупоры при растворении несколько понижают σ расплава, что приводит к интенсивной пропитке и селективному проникновению в огнеупор компонентов расплава. В основных огнеупорах благодаря их малому растворению в основных оксидных расплавах свойства расплава меняются незначительно, что при достаточно низком поверхностном натяжении исходного расплава также благоприятствует пропитке.

На границе газ — жидкость — керамика, например на границе зеркала расплава стекла в стекловаренной печи, растворение керамики идет более интенсивно, чем в глубине. Основной причиной этого явления считают изменение поверхностного натяжения на границе с керамикой, что может усиливать конвекцию. В поверхностные слои расплава могут вытесняться его наиболее агрессивные компоненты (в стекле — щелочи), вызывающие интенсивное растворение.

Многообразие и сложность процессов коррозии не позволяет выработать универсально применимые испытания химической стойкости керамики. Если для определения стойкости кислотоупоров существуют стандартные методы, то для испытания шлакоустойчивости, стеклоустойчивости и металлоустойчивости единых стандартных методов нет.

Для оценки химической стойкости керамики можно использовать изменения структуры, химического состава или свойств, имевшие место в результате коррозии в керамике, в прилегающем к ней слое агрессивного вещества или в агрессивном веществе.

Можно измерять изменение массы керамики, ее геометрических размеров, глубину проникновения (пропитки) агрессивного вещества в керамику. Растворение приводит к уменьшению массы, а окисление, например керметов, и пропитка приводят к увеличению массы. Трудность заключается в том, что процессы растворения и пропитки обычно идут одновременно. Даже удаление налипшего расплава с образца часто является проблемой. Важную информацию о процессе дает изучение микроструктуры керамики и прилегающего к ней слоя агрессивного вещества с помощью оптической и электронной микроскопии. Иногда можно оценить химическую стойкость по изменению свойств агрессивного вещества и керамики, например электрической проводимости, механической прочности, деформационных характеристик и т. д. Избирательность диффузии компонентов агрессивного вещества в керамику, состав диффузионного слоя исследуют с помощью электронного микрозонда, лазерного микрозонда, ожеспектроскопии, а также используя радиоактивные и нерадиоактивные изотопы.

Из сказанного ясно, что наиболее эффективным способом повышения химической стойкости керамики является увеличение ее плотности и повышение чистоты исходных веществ. При этом химическую стойкость надо рассматривать в комплексе с другими ее эксплуатационными физико-химическими свойствами. Повышения плотности керамики часто достигают при использовании специальных добавок. Важно, чтобы эти добавки не слишком понижали химическую стойкость и не обесценивали влияние повышения плотности. Кроме того, повышение плотности может уменьшить термостойкость керамики. Повышение чистоты исходного сырья увеличивает стоимость изделий и требует более высоких температур для их обжига. Иногда возможно использование специальных добавок, перекрывающих систему открытых пор или ухудшающих смачивание их поверхности, или добавок, повышающих химическую стойкость границ зерен. В конечном итоге в расчет надо принимать различные факторы, переводя их на язык экономики, и выбирать оптимальный вариант.

2. Радиационная стойкость керамики.

Развитие космической и лазерной техники, атомной энергетики, ускорителей элементарных частиц, использование радиоактивных изотопов, рентгеновских излучений и т. п. потребовали разработки материалов, в том числе керамических, обладающих радиационной стойкостью.

Чем короче длина волны, т. е. чем больше энергия кванта излучения Е (E=hf, где h — постоянная Планка, f — частота излучения), тем больше ее воздействие на материалы.

Наиболее сильно на материалы влияет ионизирующее излучение высокой энергии, которое, проходя через вещество, взаимодействует с электронными оболочками и ядрами атомов, вызывает нарушение структуры и другие повреждения материалов.

Характер повреждения при облучении зависит от дозы радиации и свойств материалов, в частности от их радиационной чувствительности, которую можно оценить величиной изменения какого-либо свойства в зависимости от мощности поглощенной дозы.

Поскольку почти все свойства керамических материалов зависят от их структуры, то изменения последней могут служить одним из важных показателей радиационной стойкости керамики при облучении.

Радиационная стойкость неорганических веществ, в том числе в составе керамики, зависит от их химического состава, типа химической связи, кристаллической структуры, а в изделиях — также от плотности упаковки.

Энергия излучения, как и другие виды энергии, например тепловая, подводится из окружающей среды к керамическому материалу, который можно рассматривать в качестве открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой энергией, веществом и информацией. В открытых системах образуются структуры, способствующие рассеиванию (диссипации) энергии в окружающую среду (диссипативные структуры). Часть энергии, которую система не может рассеять в окружающую среду (например, не успевает это сделать), она вынуждена аккумулировать внутри себя на образование различных структур, часто являющихся дефектами. Чем больше скорость подведения энергии из окружающей среды и меньше способность системы к ее рассеиванию, тем большую часть энергии она вынуждена аккумулировать.

Аккумулирование энергии при воздействии ионизирующего излучения происходит в основном на атомарном уровне в первую очередь на образование электронных дефектов, точечных дефектов кристаллической решетки - вакансий (преимущественно по Френкелю, а для поверхностных атомов - по Шоттки) и их ассоциатов. Увеличение энергии кванта и мощности потока приводят к возникновению более крупных и соответственно энергоемких дефектов. Возможность системы рассеивать подводимую энергию зависит от типа химической связи слагающих ее соединений. Высокосимметричные кристаллы с высокой долей ионности химических связей имеют много направлений для рассеивания подводимой энергии. В них аккумулируется меньше энергии и соответственно возникает меньше дефектов. В отличие от них кристаллы с высокой долей ковалентности химической связи, обладающей высокой направленностью, могут рассеивать энергию по меньшему числу направлений. Эти структуры вынуждены аккумулировать значительно большую часть подводимой энергии на образование дефектов.

Наиболее стойкими благодаря симметричности электростатических связей между частицами являются ионные структуры. При этом с уменьшением степени ионности химической связи, например, в ряду Ве-0, А1-О, Zr-0, Si-0 падает устойчивость к воздействию нейтронов.

Установлено, что в результате фазовых переходов под действием облучения образуются более симметричные структуры. Переход в фазу с более высокой симметрией повышает возможности кристалла рассеивать подводимую из окружающей среды энергию по различным направлениям. Увеличение параметра элементарной ячейки при облучении указывает на аккумулирование некоторой части энергии в виде вакансий. Полиморфные переходы при подведении тепловой энергии происходят при более высокой температуре, чем при облучении, и более высокая подвижность атомов препятствует аккумулированию энергии в виде вакансий. Увеличения параметров элементарной ячейки при этом не наблюдается.

Установлено также, что у материалов типа силикатов при облучении мощным потоком нейтронов уменьшается степень их аморфизации в соответствии с их строением в ряду: островные, цепочечные, листовые, каркасные. Отмечено также, что изменение плотности облученных минералов одинакового строения пропорционально содержанию в них SiО2. Поэтому оксиды более устойчивы, чем соответствующие силикаты. Это связано с высокой долей ковалентности связи -Si-0-. Для аморфизации необходимо разрушить химические связи в кристалле. При относительно небольших мощностях потока в первую очередь будут разрываться более слабые химические связи (где тонко, там и рвется), т. е. в островных силикатах. В силикатах по сравнению с оксидами имеются связи —Si—0— и соответственно выше вероятность аккумулирования энергии в виде точечных дефектов, вплоть до потери устойчивости кристаллической решетки и аморфизации.

Керамические материалы в значительной мере многофазны. При воздействии облучения отдельные фазы ведут себя по-разному, при этом изменения в соединениях различны при их нахождении в керамике или в свободном состоянии. В многофазных материалах соответствующие фазы могут способствовать или препятствовать рассеиванию (или аккумулированию) подводимой энергии.

Увеличение мощности дозы (интенсивности потока излучения) заставляет систему искать оптимальное сочетание между рассеиванием и аккумулированием подводимой энергии.

Диэлектрические материалы, обладающие в обычных условиях ничтожно малой электрической проводимостью, весьма чувствительны к воздействию радиации. Влияние проникающего излучения (γ-квантов, рентгеновского излучения, электронов) на вещество определяется главным образом процессами взаимодействия между первичным квантом или электроном и электронами, находящимися в оболочках атомов облучаемого материала.

В результате ионизации атомов и