Tag Archives: 化学耐性

一、核心特点

  1. 材料属性主导性
    • 化学耐性由材料分子结构决定：
      • 惰性材料（如聚四氟乙烯 PTFE、石英玻璃）：分子键能高（C-F 键能 485kJ/mol），在强酸（如王水）、强碱（如熔融 NaOH）中失重率≤0.01%/ 年。
      • 活性材料（如普通钢、玻璃）：易与特定化学物质反应（如铁与稀硫酸反应速率≥0.5mm / 年），需通过涂层（如环氧树脂）或合金化（如 316L 不锈钢添加 Mo 元素）提升耐性。
  2. 环境依赖性
    • 浓度与温度敏感：
      • 常温下铝耐 5% 硫酸腐蚀（腐蚀速率≤0.1mm / 年），但浓度＞80% 时发生钝化（腐蚀速率＜0.001mm / 年）；
      • 钛在常温下耐王水腐蚀，但温度＞100℃时腐蚀速率骤增（＞1mm / 年）。
    • 协同作用风险：
      • 氯化物（如 Cl⁻）会破坏不锈钢钝化膜，导致应力腐蚀开裂（SCC），如 304 不锈钢在含 Cl⁻溶液中裂纹扩展速率≥10⁻⁶mm/s。
  3. 测试标准量化性
    • 通过腐蚀速率（mm / 年）、质量变化率（mg/cm²）等指标评估：
      • ASTM G31 标准规定，金属在酸中浸泡 72 小时后，腐蚀速率＜0.1mm / 年为 “耐蚀”；
      • ISO 1719 标准测试塑料耐化学性，质量变化率＜±2% 视为合格。
  4. 应用场景针对性
    • 不同行业对化学耐性需求差异显著：
      • 医药行业：需耐消毒剂（如 30% 过氧化氢），设备表面粗糙度 Ra≤0.8μm 以减少残留；
      • 半导体行业：需耐氢氟酸（HF）刻蚀，管道材质选用 PVDF（腐蚀速率＜0.005mm / 年）。

二、主要应用范围

行业领域 典型材料 关键化学介质 耐性要求
化工与石化 哈氏合金 C-276、搪玻璃 浓盐酸、硫酸、氯化铁溶液 腐蚀速率≤0.05mm / 年，焊缝耐腐蚀性能与母材差异≤10%
制药与食品 316L 不锈钢、硼硅玻璃 氢氧化钠、乙醇、柠檬酸溶液 溶出物检测≤0.5ppm（如金属离子迁移量），符合 FDA 21 CFR Part 177
电子与半导体 聚偏二氟乙烯（PVDF）、石英 氢氟酸（49%）、浓硫酸（98%） 表面腐蚀深度＜5μm，介电常数变化≤2%（25℃/1MHz 条件）
环保与水处理 高密度聚乙烯（HDPE）、钛合金 次氯酸钠、硝酸银、含氰废水 耐应力开裂时间≥1000 小时（ASTM D954），焊接区耐蚀性与母材一致
航空航天 钛合金、陶瓷基复合材料（CMC） 航空燃油、液压油、氧化剂（N₂O₄） 质量损失率＜0.1%（121℃/72 小时浸泡），疲劳强度下降≤5%
建筑与卫浴 亚克力、铜镍合金 肥皂水、洁厕灵（含 HCl） 表面光泽度变化≤10%（ISO 2813 标准），耐划痕硬度≥2H（铅笔硬度测试）

三、影响化学耐性的关键因素

  1. 材料成分与结构
    • 金属材料：
      • 不锈钢中 Cr 含量≥12% 时形成钝化膜（Cr₂O₃），腐蚀速率下降至普通钢的 1/100；
      • 铝合金添加 5% 镁元素可提升耐海水腐蚀性能（腐蚀电流密度＜10⁻⁷A/cm²）。
    • 高分子材料：
      • 聚乙烯（PE）耐化学性随结晶度升高而增强（结晶度 90% 时耐油溶胀率＜5%）；
      • 环氧树脂交联密度越高，耐溶剂性越强（交联点间距＜5nm 时溶剂渗透率＜0.01cm³/(cm²・h)）。
  2. 环境参数
    • 温度：温度每升高 10℃，腐蚀反应速率约增加 2-3 倍（如铁在 20℃稀硫酸中腐蚀速率 0.5mm / 年，60℃时达 4mm / 年）。
    • pH 值：碳钢在 pH＜4 的酸性环境中发生析氢腐蚀（速率≥1mm / 年），在 pH 4-10 的中性环境中腐蚀速率降至 0.1mm / 年以下。
  3. 应力与磨损
    • 应力腐蚀：奥氏体不锈钢在含 Cl⁻溶液中，拉应力＞屈服强度 50% 时易开裂（如核电站管道裂纹风险）。
    • 磨损腐蚀：流体速度＞5m/s 时，金属表面钝化膜被冲刷破坏（如泵叶轮磨损腐蚀速率≥0.3mm / 年）。

四、提升化学耐性的技术路径

  1. 材料改性
    • 合金化：向钛中添加 6% 铝、4% 钒（Ti-6Al-4V），耐海水腐蚀性能提升 3 倍（腐蚀电位从 – 0.5V 升至 – 0.2V vs SCE）。
    • 纳米复合：在环氧树脂中添加 5% 石墨烯，耐硫酸渗透系数下降 80%（从 10⁻¹⁰cm²/s 降至 2×10⁻¹¹cm²/s）。
  2. 表面处理
    • 镀层技术：
      • 化学镀镍磷（Ni-P）层厚度 25μm 时，耐盐酸腐蚀速率＜0.01mm / 年；
      • 热喷涂陶瓷涂层（如 Al₂O₃）孔隙率＜1%，耐氢氟酸渗透能力提升 10 倍。
    • 钝化处理：不锈钢经硝酸钝化后，表面 Cr (VI) 含量从 0.1% 升至 2%，腐蚀电流密度下降至 10⁻⁹A/cm²。
  3. 结构设计优化
    • 避免缝隙：法兰连接采用全焊透结构（缝隙宽度＜0.1mm），可防止缝隙腐蚀（如换热器管板连接处）。
    • 流体控制：管道设计流速≤3m/s（对不锈钢），减少冲蚀磨损（如化工管道弯头处壁厚增加 30%）。

五、测试方法与标准

  • 静态浸泡测试：
    • ASTM G31：金属在化学介质中浸泡 72 小时，计算腐蚀速率；
    • ISO 22088：塑料在液体中浸泡 168 小时，测量质量与力学性能变化。
  • 动态腐蚀测试：
    • ASTM G73：模拟换热器工况，测试流动介质中的腐蚀速率（如循环硫酸溶液）；
    • NACE TM0177：评估金属在含 H₂S/CO₂环境中的应力腐蚀开裂倾向。