热压烧结碳化硅陶瓷载体的耐腐蚀性能

热压烧结碳化硅陶瓷载体的耐腐蚀性能

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JP7U0MFG0552Z33T.html

在化工、核能及环保领域，设备与载体的耐蚀性直接决定系统寿命与运行安全性。传统金属（如哈氏合金、钛材）与常规烧结碳化硅（SSiC）在强酸、高温熔盐等极端环境中仍面临腐蚀失效风险。热压烧结碳化硅（HP-SiC）通过致密化工艺突破材料性能极限，成为腐蚀性介质处理的核心材料。本文基于中国科学院上海硅酸盐研究所、东芝陶瓷等机构实验数据，结合工业场景案例，系统揭示HP-SiC的耐蚀机理与技术优势。

热压烧结碳化硅陶瓷

工艺突破：热压烧结如何重塑碳化硅耐蚀基因

热压烧结（Hot Pressing, HP）通过高温（2000-2200℃）与高压（20-40 MPa）协同作用，消除材料内部孔隙与晶界杂质，实现近乎理论密度的碳化硅陶瓷：

• 致密度：≥99.5%（常规烧结SiC为92-96%），孔隙率<0.2%，阻断腐蚀介质渗透路径。
• 晶粒尺寸：1-3 μm（无压烧结SiC为5-10 μm），细晶强化显著提升晶界抗蚀能力。
• 晶界相调控：采用Al₂O₃-Y₂O₃复合烧结助剂，形成高化学稳定性Y-Al-Si-O玻璃相，替代传统SiC中的游离硅或碳。

实验验证：在98%浓硫酸（300℃）中浸泡500小时，HP-SiC质量损失率仅0.02 mg/cm²，较无压烧结SiC降低85%。

碳化硅陶瓷性能参数

耐酸性能：挑战浓硫酸、氢氟酸极限环境

HP-SiC在强酸介质中展现“超惰性”特性，突破陶瓷材料的传统耐蚀边界：

• 浓硫酸（H₂SO₄）
• 浓度≤70%、温度≤200℃时，腐蚀速率<0.01 mm/年；
• 98%浓硫酸、280℃工况下，腐蚀速率0.03 mm/年（哈氏合金C276在此条件下腐蚀速率＞5 mm/年）。
• 氢氟酸（HF）
• 40%浓度、80℃环境中，HP-SiC腐蚀速率0.12 mm/年（石英玻璃＞10 mm/年）；
• 耐蚀机理：表面生成氟化硅（SiF₄）钝化膜，抑制进一步反应。
• 混合酸（HNO₃+HCl）
• 王水（浓HNO₃:浓HCl=1:3）中，25℃下腐蚀速率0.08 mm/年，优于钽材（0.15 mm/年）。

工业案例：某钛白粉厂酸解反应器中，HP-SiC搅拌桨寿命达8年（原钛合金桨仅6个月）。

耐碱与熔盐腐蚀：高温强碱场景的终极解决方案

在NaOH、KOH及熔融盐环境中，HP-SiC表现同样卓越：

• 高温强碱
• 50% NaOH溶液、300℃条件下，腐蚀速率0.05 mm/年（镍基合金625为0.5 mm/年）；
• 耐蚀上限：可耐受80% KOH、400℃短时冲击。
• 熔盐腐蚀
• 氯化物熔盐（如NaCl-KCl，800℃）中，年腐蚀深度<0.1 mm；
• 氟盐（FLiNaK，700℃）环境中，腐蚀速率仅为石墨的1/20。
• 氧化-腐蚀耦合环境
• 在含O₂的熔融Pb-Bi合金（600℃）中，HP-SiC表面形成连续SiO₂-Cr₂O₃复合氧化层，年腐蚀量<5 μm。

核能应用：第四代核反应堆（如熔盐堆）中，HP-SiC被用作燃料球包壳材料，设计寿命超过60年。

失效机理与寿命预测模型

HP-SiC的腐蚀过程遵循“表面钝化-晶界优先侵蚀-体相剥落”三阶段模型：

1. 钝化期（0-1000小时）：表面形成非晶SiO₂或复合氧化膜，腐蚀速率趋近于零；
2. 晶界侵蚀期（1000-5000小时）：腐蚀介质沿晶界渗透，Y-Al-Si-O玻璃相优先溶解；
3. 体相失效期（>5000小时）：晶粒脱落，腐蚀速率指数级上升。

工业应用与经济效益

• 化工领域
• 替代锆材制造浓硫酸蒸发器，设备投资降低40%，维护周期从3个月延长至5年；
• 制作氯碱工业电解槽隔膜，电流效率提升至98%（传统石棉隔膜为95%）。
• 环保领域
• 垃圾焚烧发电厂烟气净化系统喷嘴，耐HCl+二噁英腐蚀，寿命超10万小时；
• 核废料玻璃固化炉内衬，年腐蚀量<0.05 mm，保障万年级安全封存。

成本分析：HP-SiC初期成本为哈氏合金的2-3倍，但全生命周期成本仅为后者1/5-1/3。

技术演进：从材料到系统级创新

1. 梯度结构设计：表面致密化+内部多孔层，兼顾耐蚀性与热应力缓冲；
2. 复合涂层技术：CVD沉积SiC/Si₃N₄纳米涂层，将HF耐受浓度提升至60%；
3. 智能化监测：集成光纤腐蚀传感器，实时预警材料失效临界点。