ما هي العوامل المؤثرة في مقاومة السيراميك للتآكل؟

تُستخدم المواد الخزفية المقاومة للتآكل على نطاق واسع في مجالات مواد الطحن والتلميع، والطلاءات المقاومة للتآكل، والبطانات الداخلية للأنابيب أو المعدات، وأجزاء الهيكل، وما إلى ذلك، وتحدد خصائصها المقاومة للتآكل بشكل مباشر عمر الخدمة الآمن للمعدات والأجزاء الميكانيكية. تشمل مواد السيراميك الشائعة المقاومة للتآكل الزركونيا والألومينا ونتريد البورون المكعب ونتريد السيليكون وكربيد البورون وكربيد السيليكون، إلخ.

من أجل الحصول على مواد خزفية مقاومة للتآكل مع مقاومة أفضل للتآكل، درس العديد من العلماء آلية تآكل المواد الخزفية والعوامل التي تؤثر على مقاومة التآكل للسيراميك. وبصفة عامة، تتأثر مقاومة التآكل للسيراميك بعاملين، أحدهما هيكل المادة نفسها، والآخر العوامل الخارجية مثل الحمل ودرجة الحرارة والجو.

تأثير الخواص الميكانيكية على مقاومة التآكل للسيراميك

في الأبحاث المبكرة لخاصية مقاومة التآكل للمواد الخزفية، كان يُعتقد أن صلابة المواد الخزفية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخاصية التآكل. وقد تبين لاحقًا أن العلاقة بين صلابة السيراميك وتآكله لم تكن واضحة جدًا. على سبيل المثال، تكون صلابة سيراميك الألومينا أعلى من سيراميك الزركونيا TZP، ولكن مقاومة التآكل ليست بالضرورة أعلى من سيراميك TZP.

على الرغم من أن الصلابة يمكن أن تعكس قوة الترابط لحدود الحبيبات إلى حد معين، إلا أن التآكل يتشكل في النهاية بسبب انفصال المواد عن سطح التآكل، لذلك لم تعد صلابة المادة الخزفية تُستخدم كمؤشر تنبؤي لقياس التآكل. تُظهر بعض الدراسات أنه مع تحسن صلابة الكسر وصلابة المادة، ينخفض معدل تآكل السيراميك تدريجيًا، وتكون مقاومة التآكل أفضل.

تأثيرات البنية المجهرية على مقاومة التآكل للسيراميك

بشكل عام، غالبًا ما يكون للبنية المجهرية للمواد تأثير كبير على الخصائص العيانية للمواد. مادة السيراميك عبارة عن جسم متكلس يتكون من حبيبات وبلورات بينية، وغالبًا ما تحدد بنيتها المجهرية خصائصها العيانية. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن مقاومة التآكل للمواد الخزفية ترتبط إلى حد كبير بحجم الحبيبات وتكوين مرحلة حدود الحبيبات وتوزيع الضغط على حدود الحبيبات والمسامات وغيرها من البنى المجهرية.

حجم الحبيبات

في الصناعة، يمكن للمواد المعدنية تحسين خواصها الميكانيكية عن طريق تكرير الحبوب، وهو ما يسمى بتقوية الحبيبات الدقيقة. والمبدأ الرئيسي هو أنه كلما كان حجم الحبيبات أصغر، كلما كانت مساحة حدود الحبيبات أكبر، وكلما كان توزيع حدود الحبيبات متعرجًا، مما يمكن أن يزيد بشكل فعال من مسار نمو التشقق ويؤدي إلى تركيز الضغط في المادة المشتتة. وجد أن صقل الحبيبات له تأثير معين على مقاومة التآكل للمواد الخزفية.

المسامية

المسامية لها تأثير مهم للغاية على خصائص السيراميك. تعادل المسامية وجود عيب، مما يؤدي إلى تركيز الإجهاد، وتسريع توسع التشقق وتقليل قوة الترابط بين الحبوب، مما يؤثر بشكل خطير على الخواص الميكانيكية للسيراميك. تحت تأثير الاحتكاك، قد تتصل المسام ببعضها البعض لتكوين مصدر تشقق، مما يسرّع من تآكل المادة.

مرحلة حدود الحبوب والشوائب بين البلورات

يتكوّن السيراميك من حبيبات ومراحل حدية حبيبية ومسامات. في عملية التلبيد، تتواجد بعض المواد المضافة والشوائب المضافة إلى السيراميك بشكل أساسي عند حدود الحبيبات في شكل "المرحلة الثانية" أو "المرحلة الزجاجية"، وسيؤثر وجودها على قوة الترابط بين الحبيبات. أثناء احتكاك السيراميك وتآكله، يمكن أن تحدث تشققات بسهولة عند حدود الحبيبات. سوف تتسبب قوة الترابط المنخفضة لحدود الحبيبات في حدوث كسر على طول الحبيبات أثناء عملية التآكل، مما يؤدي إلى سحب الحبيبات بأكملها والتسبب في تآكل خطير.

عادةً ما توجد المادة المضافة للسيراميك متعدد الكريستالات على حدود الحبيبات على شكل طور الزجاج. أثناء عملية الاحتكاك، تقلل درجة الحرارة المرتفعة الناتجة من لزوجة الزجاج، مما يؤدي إلى تشوه البلاستيك. إذا كان الضغط على حدود الحبيبات المجاورة غير مناسب، فسوف يتسبب ذلك في حدوث تشقق عند حدود الحبيبات ويسبب تآكلًا خطيرًا.

إذا كانت الكمية المناسبة من المواد المضافة يمكن أن تشكل مرحلة ثانية عند حدود الحبيبات ، فعادة ما تكون مفيدة لمقاومة التآكل للمادة. على سبيل المثال، إضافة الزركونيا إلى الألومينا لصنع سيراميك الألومينا المقوى بالزركونيا ، والمعروف أيضًا باسم سيراميك ZTA. نظرًا لأن زيادة الإجهاد الحرج الناجم عن إجهاد T-ZrO2 يفضي إلى تحسين صلابة الكسر وقوة المواد الخزفية، يمكن أن يمنع الزركونيا والألومينا نمو الحبوب ويحقق تأثير التبلور الدقيق من حيث البنية المجهرية، وذلك لزيادة تحسين مقاومة التآكل.