Термодинамічний аналіз хімічної стійкості керамічних матеріалів на основі системи RO-Al₂O₃-SiO₂

Abstract

Експлуатаційні властивості сучасних літальних та аерокосмічних пристроїв та їх технічні характеристики багато у чому зобов’язані радіотехнічним системам, які на них встановлено. Тому їх захист та вибір необхідного керамічного матеріалу, який забезпечить захист електронних приладів від взаємодії з зовнішнім середовищем, є важливим завданням сучасного матеріалознавства. Для обґрунтування вибору кристалічної фази, як основи радіопрозорого керамічного матеріалу який буде експлуатуватися в агресивних середовищах доцільним є проведення термодинамічних розрахунків, а саме змін вільної енергії Гіббса хімічних реакції взаємодії кристалічної фази з агресивним середовищем. Для проведення термодинамічних розрахунків реакцій хімічної стійкості була обрана трикомпонентна система RO-Al₂O₃-SiO₂(RО – SrО, BaО) та визначено кристалічні фази, які можуть існувати в їх межах. При виборі дослідних кристалічних фаз враховувався комплекс фізико-хімічних та експлуатаційних вимог до радіопрозорих матеріалів. З точки зору термодинаміки в роботі розглянуто корозійну поведінку обраних кристалічних фаз: цельзіану BaO·Al₂O₃·2SiO₂, славсоніту SrO·Al₂O₃·2SiO₂, SrO·SiO₂ та 2SrO·SiO₂. В роботі представлено результати термодинамічних розрахунків змін ентальпії, ентропії та вільної енергії Гіббса реакцій для визначення кислотостійкості (HСl, H₂SO₄, HNO₃) та лугостійкості (NaОН, Na₂CO₃) даних сполук в стандартних умовах. Встановлено, що усі розглянуті сполуки мають термодинамічну вірогідність корозійного супротиву до дії лужних реагентів. По відношенню до кислотного середовища за нормальних умов цельзіан та славсоніт проявляють кислотостійкість до соляної кислоти, найменш схильні до взаємодії з сірчаною кислотою, проте здатні активно взаємодіяти з HNO₃. Щодо досліджених бінарних сполук SrO·SiO₂ та 2SrO·SiO₂, всі розраховані реакції є термодинамічно вигідними, тобто відбувається взаємодія з кислотними реагентами. Проаналізовано одержані результати та наведено кореляцію розрахунків реакції цельзіану та хлоридної кислоти з експериментальними даними. Зроблено висновок, що раціонально планувати отримання керамічних виробів на основі цельзіану та славсоніту або їх гетерофазної суміші з мінімальним вмістом бінарних оксидів стронцію та барію.Operational characteristics, properties of modern aircraft and aerospace devices and their technical characteristics owe a lot to the radio engineering systems that are installed on them. Therefore, their protection and the selection of the necessary ceramic material, which will ensure the protection of electronic devices from interaction with the external environment, is an important task of modern materials science. In order to substantiate the choice of a crystalline phase as the basis of a radiotransparent ceramic material that will be used in aggressive environments, it is advisable to conduct thermodynamic calculations, namely changes in the Gibbs free energy of chemical reactions of the interaction of the crystalline phase with an aggressive environment. To carry out thermodynamic calculations of chemical stability reactions, the three-component system RO-Al₂O3-SiO₂ (RО – SrО, BaО) was chosen and the crystalline phases that can exist within them were determined. When choosing experimental crystalline phases, a complex of physico-chemical and operational requirements for radio-transparent materials was taken into account. From the point of view of thermodynamics, the corrosion behavior of the selected crystalline phases: celsian BaO·Al₂O₃·2SiO₂, slavsonite SrO·Al₂O₃·SiO₂, SrO·SiO₂, and 2SrO·SiO₂ is considered. The paper presents the results of thermodynamic calculations of changes in enthalpy, entropy, and Gibbs free energy of reactions to determine acid resistance (HСl, H₂SO₄, HNO₃) and alkali resistance (NaОН, Na₂CO₃) of these compounds under standard conditions. It was established that all considered compounds have a thermodynamic probability of corrosion resistance to the action of alkaline reagents. In relation to an acidic environment, under normal conditions, celsian and slavsonite show acid resistance to hydrochloric acid, and they are least prone to interaction with sulfuric acid, but are able to actively interact with HNO₃. Regarding the investigated binary compounds SrO·SiO₂ and 2SrO·SiO₂, all calculated reactions are thermodynamically favorable, i.e. interaction with acidic reagents occurs. The obtained results are analyzed and the correlation of the calculations of the reaction of celsian and hydrochloric acid with experimental data is given. It was concluded that it is rational to plan the production of ceramic products based on celsian and slavsonite or their heterophase mixture with a minimum content of binary oxides of strontium and barium.