핵심 메커니즘:자가 치유시 오 ₂ Passivation 계층
질화규소가 대부분의 산성 환경에 대해 거의 완전한 면역성을 보이는 주된 이유는 단순히 대량 화학적 불성뿐만 아니라 a를 형성하는 능력이다자가 치유, 나노미터 두께의 패시베이션 레이어이산 화의 비정질 실리콘 (시 오 ₂)에 아웃에게 언론 노출, 물, 또는 증기.이 계층이 침투 운동 사이의 장벽 역할을 한 공격적인 환경과 근본적인 Si ₃ N ₄ 행렬.
도표 1:시 오 ₂ Passivation 계층 형성 & 보호 메커니즘
Oxidation-Driven Passivation
산에서 아웃 (HNO ₃, H ₂ 그래서 ₄) 또는기 포 수용액을 솔루션, 표면 Si ₃ N ₄시 오을 ₂ 산화 된다왜냐하면의 어금니 볼륨시 오 ₂의 초과 Si ₃ N ₄, 결과적으로이 영화는 매우 신자는 가 벼 운 압축 stress-making 아래, crack-free, 그리고이 침투 이온 수송을 더 사게 될 것이다.
가수분해 & 자가 치유
순수 한 물이나 증기, Si ₃ N ₄ 느리:지구를 겪 Si ₃ N ₄ + 6H ₂ O → 3SiO ₂ + 4NH ₃다.그 결과시 오 ₂ 대량 보호 한다.기계적으로 착용 한 경우 (예를들어, 회전하는 봉인 얼굴에), 갓 노출 Si ₃ N ₄즉시 re-passivates재 노출에게 fluid-a 중요 한 알 같은 non-self-healing 자료보다 유리 ₂ O ₃ 입니다.
공유 결합 열역학 & 전기 화학적 Inertness
표면 passivation을 넘어서, Si ₃ N ₄의 대량 화학 inertness은 그것의 근본적인 원자 구조에 뿌리를 둔다.질화규소는 a강한 공유 결합 화합물Si-N 본드 에너지는 국소 조정에 따라 약 335~470 kJ/mol의 범위를 가진다.이러한 결합을 끊는 것은 엄청난 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 200°C 이하의 온도에서는 운동적으로 무시할 수 있는 수용액 매체에서의 자발적 용해를 만든다.
금속 과는 달리 전기 화학 산화 환원 반응을 통해 부식 () 또는 이온 도자기 이온 교환을 통해 녹 (), 높은 방향에서 공유 결합 Si ₃ N ₄ 용액에 쉽게 ionize 하지 마세요.anodic 가 없 거나에 cathodic 사이트로 Si ₃ N ₄ 표면, 렌 더 링갈바닉 부식 (galvanic corrosion), 피팅 부식 (pitting corrosion), 틈 부식 (crevice corrosion)은 전혀 존재하지 않는다다.이 전기 화학 inertness은 왜 Si ₃에 사용 할 수 있는 N ₄ 수 없이 electrolyte-rich 환경에서 다른 금속에 직접 접촉 전류 커플 링의 위험이 있습니다.
중요 한 예외:로부터 간섭과 뜨 거 운 H ₃ PO ₄
불소는 산소보다 전기음성도가 높고 규소에 대한 친화력이 강하다.불산 (HF)보호를 적극적으로 용해 되시 오 ₂ 층 ₄ 휘발성 프를 형성 하기 위해 가스, 앙상 한 Si ₃ N ₄ 노출이 연속, 신속 한 집중력라도 공격이다.마찬가지로,뜨 거 운 집중 인산 (H ₃ PO ₄) 위 150 ° C을 위한 강력 한 지불능력이 역할을 둘다시 오 ₂ 및 Si ₃ N ₄다.이 러한 두 화학물질을 엄격히 해야에서 Si ₃ N ₄ 구성요소 설계 피 했다.
곡물 경계 취약성 & Devitrification 엔지니어링
반면 Si ₃ N ₄ 곡물 자체는 대부분의 화학물질에서 사실상 파괴, 순수 한 Si ₃ N ₄ 산화물 첨가물 없이 결 할 수 없 (Y ₂ O ₃, Al ₂ O ₃, MgO)다.액상 소결 중에 이러한 첨가제는 표면 실리카와 반응하여 an을 형성한다비정질 glassy oxynitride phase곡물 경계와 삼중 접점에서.이 차 가운 단계는 thermodynamically 덜 안정 적이고 결정 Si ₃ N ₄보다 더 화학적으로 반응이다.
공격적인 환경-특히 뜨거운 알칼리 및 과열된 증기-에서이 열간 유리는 그렇습니다선별적으로 걸러"으로 이어지는, 곡물 fall-out" 어디 온전 Si ₃ N ₄ 곡물 표면에서 몰아내다.이것은 지배적인 환경과 호환 되 그렇지 않으면 부식 기구에 관 한 주요한 이유 standard-grade Si ₃ N ₄ 심각 한 화학 서비스에 성급하게 하지 못 합니다.
솔루션:소결 후 Devitrification 어닐링
프리미엄 corrosion-resistant Si ₃ N ₄ 받을 성적1400-1600°C에서 devitrification 열처리소 결 한 후다.이 힘 무정형 곡물 경계 유리로 구체화 되는 매우 안정적인 난치 성 규산 염 (예:Y ₂ Si ₂ O ₇, melilite, apatite)다.결정 그레인 경계는 비정질 상대방보다 화학적 침탄에 더 강한 차수이며, as-sintered 물질에 비해 5-10×만큼 뜨거운 알칼리 및 고압 증기에서 서비스 수명을 연장합니다.항상 지정devitrified 학년심각한 화학 용도의 경우.
화학 호환성 행렬:Si ₃ N ₄ 산업 환경에 걸 쳐
다음과 같은 행렬의 부식 저항 고밀도 분류, devitrified Si ₃ 흔 한 공업용 화학물질 환경에서 N ₄ 합니다.등급은 결정화된 그레인 경계가 있는 gpsn-등급 물질을 가정합니다.
SVG 도표 2:Si ₃ N ₄ 화학 저항 호환성 지도
화학 처리 산업에서 중요한 응용 분야
Si ₃ N ₄ 독특하게 결합하는 예외적인 화학 inertness 높은 골절과 인성 (6-8 MPa · m½), 열 충격 저항 (Δ T > 800 ° C),하고 속성을 훌륭 한 tribological 합니다.전염병이 조합은 고장 모드를 해결 한 다는 금속, 폴리머, 그리고 심지어 같은 다른 도자기에서 알 ₂ O ₃ 또는 SiC 역동적인 화학 서비스이다.
기계적인 물개 얼굴 & 반지
도전:산성/알칼리성 슬러리는 금속 씰을 파괴합니다;동안 SiC 및 알 ₂ O ₃ 균열 dry-run 열 충격이다.
Si ₃ N ₄ 장점:화학 inertness + Δ T > 800 ° C 열 충격 저항 + self-lubricating 행동 수용액을 미디어에서다.API 계획 53A/B 씰 시스템에 대한 업계 벤치마크인 동시성 및 부식성 공격에서 살아남습니다.
원심 펌프 베어링 & 축
도전:침수 그렇게 ₄ H ₂/HCl에서 작업하 려면 부식 면책 + 토 크 스파이크 시작하는 동안 생존 합니다.
Si ₃ N ₄ 장점:공정 유체에서 제로 부식 + 높은 파괴 인성이 시동 토크 스파이크에서 샤프트 스냅핑을 방지합니다-취성 SiC 축의 일반적인 치명적인 고장 모드입니다.
담금질 히터 & 열전대 양털
도전:용융 Al/Zn/Cu에 직접 담그는 데는 비 적출, 비 용해되는 칼집 재료가 필요합니다.
Si ₃ N ₄ 장점:용융 비철 금속에 대 한 우수한 비 적출.제로 용해는 고순도 주조 및 연장된 히터 수명 대 한 흑연 또는 강철 양장을 보장합니다.
샌드 블라스팅 & 슬러리 스프레이 노즐
도전:고속 연마 슬러리 + 부식성 화학 물질은 WC-Co 노즐 (바인더 침강)에서 침식성 마모를 유발합니다.
Si ₃ N ₄ 장점:HV 1600 경도는 화학적 불성이 바인더 분해를 방지하는 동안 마모에 저항합니다.산성 슬러리 서비스에서 텅스텐 카바이드보다 5-10× 긴 수명.
밸브 좌석 & 흐름 제어 공
도전:공격적인 시약에서 정밀 유량 제어를 수행하려면 피팅이나 갤링 없이 표면 마감이 유지되어야 합니다.
Si ₃ N ₄ 장점:Lappable Ra < 0. 01 μ m 끝내 거울 입니다.HF-free 산 및 용매를 취급하는 중요 투약 시스템에서 구멍, 쓸개 또는 부식을 보장하는 누출 방지 차단을 하지 않습니다.
촉매는 & 반응기 선형을 지원합니다
도전:High-T/P 원자로는 don& 하는 구조적 선형이 필요하다#39;t는 의도하지 않은 촉매로 작용하거나 금속 이온을 침출한다.
Si ₃ N ₄ 장점:화학적으로 불활성, 무촉매, 초고순도.석유화학 개질에서 심한 열 순환 및 부식성 가스 흐름 하에서 구조 무결성을 유지합니다.
Engineering 자주 묻는 질문
Q1:질화규소는 왜 대부분의 강산에 내성이 강합니까?
실리콘 nitride's 산 저항성은 두 가지 시너지 요인에서 기인한다:(1) 수용액에서의 이온화에 저항하는 공유 결합 Si-N 결합 (결합 에너지~335-470 kJ/mol)의 높은 열역학적 안정성;및 (2) 한 자가 치유 passivation 메커니즘 아웃 산은이나 물 형태에 노출 되는 곳에 짙은, nanometer-thick 무정형시 오 ₂ 표면 층 입니다.이시 오 ₂ 영화는 대부분의 산에서 매우 불용 성 (로부터 간섭을 제외) 및 역할을 한 침투 운동 장벽 입니다.기계적으로 손상 된 경우, 신선 한 Si ₃ N ₄ 표면을 즉시 재 노출에 re-passivates다 릅니다.
Q2:어떤 화학 물질이 실리콘 질화 세라믹을 부식시키거나 용해시킬 수 있습니까?
Si ₃ N ₄ 특정 환경은 취약하 4:(1)불 산 (로부터 간섭을) concentration-dissolves라도 모두시 오 ₂ passivation 및 Si ₃ N ₄ 행렬을 통해 ₄ 휘발성 프 형성;(2)뜨 거 운 집중 H ₃ PO ₄ 위 150 ° C-solvent 모두에게시 오 ₂ 및 Si ₃ N ₄;(3)강 한 alkalis 집중 (위의 NaOH, 고씨) 80 ° C-dissolve시 오 ₂ 용해를 형성 하기 위해 규산 염, 지속적인 행렬을 활성 화하면 공격;(4)용융 알칼리 금속 탄화물/하이드 록시드-심한 곡물 경계 침출.기타 모든 일반적인 산업용 산, 유기 용제 및 비철 용융 금속은 완전히 호환됩니다.
Q3:어떻게 곡물 경계 단계 Si ₃ N ₄ 부식 저항에 영향을 미 칠까요?
Si ₃ N ₄ 산화물 형태 가 없는 깨끗 한 산화 질소이 형성하는 소 결 첨가물을 필요로 한 단계에서 곡물 경계다.이 유리는 thermodynamically 덜 안정 적이고 더 화학적으로 반응하는 결정보다 Si ₃ N ₄ 곡물 이에요.부식 성 environments-especially에서 뜨 거 운 alkalis과 열 수 steam-it 가 먼저 선택적으로 걸러 일으키 " 곡물 여파." Post-sintering devitrification 2 (1400-1600 ° C)이 무정형 유리 결정 난치 성으로 전환 하여 규산 염 (예를들어, Y ₂ Si ₂ O ₇), 극적으로 개선 intergranular 부식 저항과 심각 한 환경에서 5-10 ×로 생명 연장하는 서비스다.
Q4:왜은 Si ₃ N ₄ SiC이나 알보다 더 선호 ₂ O ₃ 특정 화학 응용 프로그램에서?
Si ₃ N 세 ₄ 독특하게 결합 특성이 SiC 지도 않고 알 ₂ O ₃은 동시에 제공:(1)우수파괴인성 (6-8 vs. 3-4 MPa·m½), 기계적 충격 또는 씰 오정렬 하에서 치명적인 실패를 방지;(2)더 낮은 탄성 계수 (~310 vs.~410 GPa for SiC), 짝짓기에 대한 더 나은 준수를 제공하고 접촉 응력을 감소;(3)훌륭 한 열 충격 저항 (Δ T > 800 ° C), 생존 dry-run 조건과 고속 열처리 보고 있다.반면 SiC는 더 높은 경도와 열전 도도, Si ₃ N ₄ 's의 toughness-shock-corrosion trifecta는 동적, 열 순환 화학 처리 장비에서 대체 할 수 없게 만듭니다.
