Scan011520104105

Rozdział 21

P\

At

UTLENIANIE MATERIAŁÓW

' . ‘ " •' •

MW'*'

/. ^:Viv'^ ** i '

*‘⁷‘^rr^ł^kv

Wstęp

•*v' «,•?;

gSH' '

. r». -    j-

' '.%> * '"I    ■*' •

■ Vtv | Jfeh ’,

ot;

$

^lVi '

•n-y.

W poprzednim rozdziale powiedzieliśmy, że jednym z wymagań, jakie winien spełniać materiał pracujący w wysokiej temperaturze - jak np. łopatka turbiny lub rura przegrzewacza pary - jest jego odporność na działanie gazów

w wysokich temperaturach, a w szczególności odporność na utlenianie.

/ »

Łopatki turbiny utleniają się w czasie pracy, a ponadto reagują z H₂S, S0₂ i innymi produktami spalania. Nadmierny atak tego rodzaju substancji, na tak bardzo obciążone elementy, jest oczywiście niepożądany. Które materiały są najbardziej odporne na utlenianie i jak można zwiększyć ich odporność na

* i

działanie gazów w wysokich temperaturach?

Otóż atmosfera ziemska ma działanie utleniające. Możemy więc odpowiedzieć sobie na to pytanie szukając na ziemi materiałów, które dobrze się zachowały w jej atmosferze. Wokół siebie widzimy głównie ceramikę, gdyż skorupa ziemska (rozdz. 2) jest niemal całkowicie zbudowana z tlenków, krzemianów, glinianów i innych związków tlenu, które będąc tlenkami są całkowicie stabilne. Również szeroko rozpowszechnione w naturze halogenki metali alkalicznych są stabilne, np. NaCl, KC1, NaBr. W przeciwieństwie do wymienionych materiałów metale nic są stabilne; tylko złoto występuje jako "rodzime" w naturalnych warunkach (jest ono całkowicie odporne na utlenianie we wszystkich temperaturach). Wszystkie inne metale, których danymi dysponujemy, będą się utleniać w kontakcie z powietrzem. Polimery także nie są stabilne: w większość są palne, co oznacza, że się łatwo utleniają. Jest prawdą, że węgiel i ropa naftowa (surowce do otrzymywania polimerów) występują w naturze, ale dzieje się tak tylko dlatego, że procesy geologiczne odizolowały je od kontaktu z powietrzem. Do wyjątków należy kilka polimerów, m in. PTFE (politetrafluoroetylen, zawierający grupy —CF₂—), które są tak stabilne, że wytrzymują działanie wysokich temperatur przez dłuższy czas. Kompozyty polimerowe zachowują się oczywiście tak samo; np. drewno nie zalicza się do odpornych na utlenianie w wysokich temperaturach.

Jak możemy sklasyfikować odporność poszczególnych materiałów n;i utlenianie w sposób bardziej precyzyjny? Jeśli jest to możliwe dla utleniania, to oczywiście będzie to również możliwe dla nasiarczania czy naazotowania.

BE*-

Energia utleniania

Tendencję wielu materiałów do reagowania z tlenem można oceniać na podstawie testów laboratoryjnych polegających na pomiarze energii koniecznej do zajścia reakcji:

materia! + tlen + energia —» tlenek materiału.

Jeżeli energia ta jest dodatnia, materiał jest stabilny; jeśli ujemna, będzie

* • ■ ' * ^Ł ■

• . •

się utleniał. Wykres słupkowy przedstawiony na rys. 21.1 przedstawia energie tworzenia się tlenków dla czterech kategorii materiałów; wartości liczbowe są podane w tabl. 21.1.

TABLICA 21.1

Energie tworzenia tlenków w temperaturze 273 K

.77 A' r.

V A

•p" ,

Materiał (tlenek)		Energia kJ-moL^1 02	Materiał (tlenek)		Energia kJ-mol ^1 (>,
Beryl (BeO)		-1182	Kobalt	(CoO)	-422 '
Magnez	(MgO)	-1162	Drewno, większość		-400
Aluminium	(ai2o3)	-1045	polimerów, CFRP
Cyrkon	(Zr02)	-1028	Diament, grafit	(co,)	-389
Tytan	(TiO)	ok. -1000	Węglik wolframu	(W03 +	-349
Krzem	(Sio2)	-848	cermet (głównie WC)	+ co2)
Tantal	(Ta2Os)	-836	Ołów	(Pb304)	-309
Niob	(Nb205)	-764	Miedź *•	(CuO)	-254
Chrom	(Cr203)	-701	GFRP		-200
Cynk	(ZnO)	—636	Platyna	(Pt02)	ok. -160
Azotek krzemu,	(3Si02 +	-629	Srebro	(Ag20)	-5
Si3N4	+ 2N2)		PTFE %		ok. 0
Węglik krzemu	(Si02 +	-580	Złoto	(Au203)	+80
SiC	+ co2)		Halogenki metali		ok. +400 do
Molibden	(Mo02)	-534	alkalicznych		ok. +1400
Wolfram	(WO3)	-510	Henek magnezu MgO
Żelazo	(Fe304)	-508	Krzemionka, Si02		duża i
Cyna	(SnO)	-500	Tlenek glinu, A1203		dodatnia
Nikiel	(NiO)	—439	Tlenek bery u, BeO

CFRP - kompozyt polimerowy wzmocniony włóknem węglowym, GFRP - kompozyt polimerowy wzmocniony włóknem szklanym, PTFE - politetrafluoroetylen.