无机材料的环境效应

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1、无机材料的环境效应内容提要    在无机材料的提取、制备、生产、使用及废弃过程中，常常消耗大量的资源和能源，并排放大量的污染物，造成环境污染。无机材料工业要实现可持续发展，必须要重视无机材料的环境效应。    无机材料的环境效应包括两个方面内容，一是环境对无机材料的影响，即无机材料使用时，由于环境（力学的、化学的、热学的等）的影响，性能随着时间而下降，直至达到寿命终结的现象。环境对无机材料的影响主要包括材料腐蚀与疲劳。二是无机材料对环境影响，即以人类生物圈大环境为视角研究材料如何与其相适应，使材料的制造、流通、使用、废弃的整个生命周期都具有与生态环境的协调性，如低环境负荷型材料、新型

2、陶瓷生态材料、材料的循环再生等。    本章从无机材料的环境效应两个方面着手，着重分析无机材料腐蚀产生的原因，讨论腐蚀对材料性能的影响；分析无机材料疲劳裂纹扩展的力学行为与特征及材料的高温蠕变特征；同时通过无机材料生命周期评估和生态设计，提出大力发展环境协调材料，推进无机材料的再生与利用。11.1 无机材料的腐蚀     腐蚀：材料在遭受化学介质、湿气、光、氧、热等环境因素作用下会发生恶化变质的现象。一、腐蚀产生的原因（一）材料腐蚀分类    （1）按作用性质：分为物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀；    （2）按发生腐蚀过程的环境和条件：可分为高温腐蚀、大气腐蚀、溶剂腐蚀、固体腐蚀等

3、；    （3）按腐蚀形态：可分为全面腐蚀和局部腐蚀。（二）无机材料腐蚀特点    无机材料的腐蚀是由于环境包括高温腐蚀、液体腐蚀、气体腐蚀、固体腐蚀等侵蚀无机材料，形成了反应产物。    无机材料的化学成分和矿物组成、表面自由能、孔隙和结构都对材料的腐蚀带来较大的影响。      （1）具有酸性特征的无机材料容易被具有碱性特征的环境所腐蚀，反之亦然；    （2）共价键材料的蒸气压通常要比离子键材料的蒸气压大，所以前者往往更快地蒸发或升华；    （3）离子键材料易于溶入极性溶剂中，而共价键材料易于溶入非极性溶剂中；    （4）固体在液体中的溶解度通常随温度的升高而增加；    

4、（5）材料的孔隙率会降低材料的耐腐蚀性。（二）液体腐蚀    液体对固体晶体材料的腐蚀是通过在固态晶体材料和溶剂之间形成一层界面或反应产物而进行的。    （1）间接溶解（非协同溶解、非均匀溶解）：反应产物的溶解度比整个固体的低，有可能形成或不形成附着表面层。    （2）直接溶解（协同性溶解、均匀溶解）：固体晶体材料通过分解或通过与溶剂反应而直接溶解到液体。    在以密度为驱动力的自由对流状态下，描述溶解速率的基本方程是：   ，            （11-1）式中g——重力加速度；    ——饱和液体密度，为原始密度；    ν——动力学粘度；    x——距液体表面的距离

5、；    Di——界面扩散系数；    C*——浓度参数；    δ*——有效边界层厚度；    R——溶质半径。[注意]：液体粘度是液体腐蚀材料的主要因素。在等热条件下，粘度因成分变化而变化，且液体成分也影响无机固体材料的溶解度，尤其是对于液面下的无机固体材料腐蚀。（二）固体腐蚀    指两个彼此接触的不同类的固体材料间相互发生反应所引起的腐蚀，其结果是在界面形成固体、液体或气体的第三相。       固体与固体的反应是以扩散为主的反应。扩散方程为：       D＝D0exp（－）                               （11-2）    式中D——扩散系数

6、；    D0——常数；    Q——扩散活化能；    R——气体常数；    T——绝对温度。       活化能Q的值越大，扩散系数受温度的影响就越大。    扩散形式：体积扩散、晶界扩散和表面扩散。    由于物质迁移速度较慢限制了反应速率，则完全以固体状态进行的化学反应比含有气体或液体的反应少。 （三）气体腐蚀1．气体侵蚀情况气体侵蚀：气体渗透进材料孔隙中与材料进行反应导致腐蚀的现象。气体侵蚀现象比液体或固体腐蚀严重，取决于孔隙度或渗透性，其中关键因素：材料的孔隙体积和孔隙尺寸分布。2．气体侵蚀产物       气体侵蚀反应产物可能为固体、液体或气体：A（s）＋B（g） C

7、（s、l、g）    例如，受Na2O蒸气侵蚀的SiO2能生成液态的硅酸钠。3．气体与液体联合侵蚀效应    气体和液体侵蚀可产生联合而持续的效应：    （1）气体在热梯度作用下，会渗透入材料并凝结成液体溶液来溶解材料；    （2）液体溶液能进一步沿着温度梯度渗透，直到完全凝结；    （3）若材料热梯度改变，固体反应产物有可能熔化，在熔点附近引起腐蚀和剥落。    气－固反应过程控制速率的可能步骤：    （1）气体向固体扩散；    （2）气体分子