Химическая стойкость керамических материалов

Керамика – первый искусственный материал, известный человечеству с древнейших времён. В музее Иерусалима хранится знаменитая керамическая маска, созданная примерно 8600 лет тому назад и найденная в древнем Иерихоне неподалёку от берега Мёртвого моря. Слово «керамика» пришло к нам из древнегреческого языка (керамос – обожжённая глина, керамике – гончарное искусство). Но если раньше основным назначением керамики была посуда, черепица, кирпич, игрушки, то, начиная с Х1Х века, керамика стала приобретать специальное техническое назначение. В первую очередь использовались такие свойства керамики, как термостойкость, огнеупорность, затем, - её электрические свойства, ведь большинство керамических материалов являются диэлектриками. Вместе с тем, большое значение имеет полупроводниковая, проводниковая и сверхпроводниковая керамика, а также керамика, обладающая ферримагнитными свойствами (ферриты). Такое многообразие свойств определяет широкие области применения керамики.

Техническая керамика применяется для изготовления огнеупорных изделий, в вакуумной технике, электротехнике, радиоэлектронике, атомной энергетике, авиации, металлургии и др.

Керамика – это материалы, получаемые спеканием порошковых масс заданного состава из минералов или различных соединений – оксидов, силикатов и алюмосиликатов, титанатов, цирконатов, хромитов, тугоплавких бескислородных соединений и т.п. Керамика – это многофазный материал, состоит из кристаллических и аморфных фаз. Кроме того, керамика содержит ещё газовую фазу – это обусловлено спецификой керамического производства. Дело в том, что при спекании не происходит плавления компонентов – спекание начинается обычно со «сваривания» зёрен в местах контакта. В результате, в зависимости от технологии, объём пор в керамике составляет от 2 до 25%.

Химическая стойкость керамики определяется в первую очередь природой взаимодействующих фаз, их химическим составом и подчиняется общехимическим законам кинетики гетерогенных процессов. Кроме этого, скорость процессов химической коррозии керамики зависит от её структурных особенностей, т.е. пористости и характера распределения пор, их формы и размера, состояния поверхности, степени кристалличности, распределения кристаллической и аморфной фаз. Как и всякий химический процесс, скорость химического взаимодействия зависит от температуры, давления, концентрации агрессивной среды, скорости относительного перемещения реагирующей среды и керамического изделия. Возможность протекания той или иной реакции, как известно, определяется знаком энергии Гиббса.

В зависимости от агрегатного состояния химического реагента различают жидкостную и газовую коррозию керамики. Виды коррозионного разрушения весьма разнообразны и зависят главным образом от структурных особенностей керамики и её фазового состава. В равномерно плотной керамике преобладает сплошная коррозия. В многофазной керамике возможна избирательная коррозия по одной из фаз, преимущественно стекловидной. В пористой керамике коррозия распространяется на весь объём.

Наиболее распространёнными случаями химического взаимодействия керамики с другими веществами являются:

1. Взаимодействие с кислотами, щелочами и водой. Как правило, большинство видов технической керамики достаточно устойчивы к этим средам. В многофазной керамике, содержащей щелочные и щелочно-земельные оксиды, последние вымываются в первую очередь. Справедливо правило, согласно которому керамика на основе кислотных оксидов устойчива в кислых средах, а на основе основных – в щелочах и наоборот

2. Взаимодействие между керамикой, главным образом оксидной, и расплавленными металлами (например, при плавлении металла в огнеупорном тигле) может привести к восстановлению оксида. Возможность таких реакций определяется положением металлов в ряду напряжений.

3. Распространённый вид химического взаимодействия – между керамикой и газообразными веществами, такими как F_2, Cl₂, SO₃, углеводородами и др. Особенно усиливается воздействие газов во влажной среде и при повышенных температурах.

4. Взаимодействие между двумя керамическими материалами в местах их контакта при высокой температуре с образованием лекгоплавких эвтектик. Особенно лекгоплавкие эвтектики образуют СаО и МgO c кислыми оксидами SiO₂ и TiO₂. Сюда же относится и взаимодействие керамики с расплавленными стёклами при их плавке, шлаками, различными солевыми расплавами и т. д.

Рассмотрим химические свойства основных видов технической керамики.