Klasikinis šarminis ataka su apsauginiu silikato sluoksniu
Natrio hidroksidas (NaOH) yra pagrindinė puslaidininkių valymo (RCA SC-1 procesas), metalo riebalų šalinimo ir stiklo ėsdinimo cheminė medžiaga. Esant 60–90 laipsnių darbinei temperatūrai ir 10–30 % koncentracijoms, NaOH tirpalai agresyviai atakuoja lydytą silicio dioksidą per nusistovėjusį mechanizmą: SiO₂ + 2 OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O. Tačiau, skirtingai nuo daugelio kitų korozinių medžiagų, silikatinis produktas (natrio silikatas) nėra be galo tirpus. Esant pakankamai didelėms koncentracijoms, natrio silikatas gali nusodinti arba ant kvarco paviršiaus suformuoti gelio sluoksnį, kuris jį iš dalies pasyvina, laikui bėgant sumažindamas korozijos greitį. Šis pasyvavimo elgesys priklauso nuo koncentracijos{13}} ir temperatūros. Atskiestame NaOH (<5%), the silicate remains soluble, and corrosion is linear. In concentrated NaOH (10–30%), a protective layer forms, and the corrosion rate follows a parabolic or logarithmic decay. Additionally, the sodium cation (Na⁺) plays a role: its size and charge density affect the solubility and transport of silicate species. This analysis quantifies how NaOH concentration (10–30%) and temperature (60–90°C) affect the uniform corrosion rate of fused silica, with emphasis on the transition from linear to passivated behavior. The required quartz sheath wall thickness to achieve practical service intervals (2,000–8,000 hours) in semiconductor wet benches and industrial cleaning tanks is derived, along with the thermal penalty of thicker walls in this high-thermal-conductivity, low-viscosity electrolyte.
Korozijos kinetika: pasyvavimo elgsena koncentruotame NaOH
Kvarco korozija NaOH tirpaluose vyksta dviem režimais. Atskiestuose tirpaluose (<5% NaOH), the corrosion rate is linear with time and scales with the square root of OH⁻ concentration. In concentrated solutions (10–30% NaOH), an initially rapid reaction slows dramatically as a sodium silicate layer builds up on the surface. This layer is permeable to water and OH⁻, but its thickness and density increase with time, reducing the transport of reactants to the silica surface. The corrosion rate follows a parabolic law: thickness loss ∝ √t, or even a logarithmic law at higher concentrations. This passivation is the key reason quartz heaters can survive for months or years in concentrated caustic baths.
Panardinus didelio-grynumo lydyto kvarco 20 % NaOH, esant 80 laipsnių temperatūrai, pradinis vienodas korozijos greitis yra 0,010–0,020 mm/val. per pirmąsias 10 valandų, po 100 valandų sumažėja iki 0,0005–0,001 mm/val. 500 valandų. 90 laipsnių kampu pradinis greitis yra 0,020–0,040 mm/val., po 100 valandų sumažėja iki 0,001–0,002 mm/val., o po 500 valandų – iki 0,0003–0,0005 mm/val. Esant 60 laipsnių, pradinis greitis yra 0,003–0,006 mm/val., po 100 valandų sumažėja iki 0,0002–0,0003 mm/val. Palyginimui, 5% NaOH esant 80 laipsnių (be pasyvavimo), greitis yra pastovus 0,003–0,005 mm/val. Po 1000 valandų 20% NaOH 80 laipsnių temperatūroje bendras storio praradimas paprastai yra 0,3–0,5 mm. 2,0 mm kvarco apvalkalas po 1000 valandų išlaikytų 1,5–1,7 mm, o korozijos greitis ir toliau mažėja. Numatomas gyvavimo laikas iki perforacijos (likusi siena<0.3 mm) exceeds 10,000 hours.
Kitų jonų buvimas (pvz., silikatas iš ankstesnių bandymų arba kompleksonų, tokių kaip EDTA) valymo preparatuose, gali paspartinti arba sulėtinti pasyvavimą. Į vonią pridėtas silikatas padidina pasyvumą, sumažindamas korozijos greitį 50–70%. Ir atvirkščiai, chlorido arba sulfato teršalai gali sutrikdyti apsauginį sluoksnį, padidindami greitį.
Lokalizuotas įdubimas ir kristalizacija
Koncentruotame NaOH apsauginis silikato sluoksnis paprastai yra vienodas, o duobės atsiranda retai. Tačiau meniske dėl vandens išgarinimo NaOH gali sukoncentruoti beveik 50%, todėl kristalizuojasi natrio hidroksidas ir natrio silikatas. Šie kristalai yra labai šarminiai ir gali sukelti vietinį ataką, jei sugeria drėgmę. Išlaikant pastovų skysčio lygį ir naudojant garų skydą, menisko koncentracija nesusikaupia. Puslaidininkiniuose šlapiuose suoluose, kur palaikoma tiksli temperatūros kontrolė ir reguliariai pildomos vonios, menisko problemos yra minimalios.
Deguonies burbuliukai, susidarę skaidant organinius teršalus (nešvariose valymo voniose), gali prilipti prie kvarco paviršiaus, tačiau švariose puslaidininkinėse voniose burbuliukų{0}}sukeltas įdubimas yra nereikšmingas.
Kaip sienos storis keičia koncentruotų NaOH šildytuvų tarnavimo laiką
Kadangi korozijos greitis laikui bėgant mažėja dėl pasyvavimo, didėjantis sienelės storis sumažina grąžą. Po pirmųjų 100–200 valandų greitis nukrenta iki beveik nulio, todėl 1,5 mm sienelės ir 3,0 mm sienelės tarnavimo laikas bus beveik vienodas (ribojamas kitų veiksnių, išskyrus vienodą retinimą). Pradiniame laikotarpyje storesnė siena suteikia daugiau aukos gylio, tačiau pasyvavimo sluoksnis susidaro neatsižvelgiant į pradinį storį. Daugumoje puslaidininkinių šlapių suolų naudojami kvarciniai šildytuvai su 1,5–2,0 mm sienelėmis, o tinkamai prižiūrint vonią jie tarnauja ilgus metus. Pramoninio valymo voniose, kurios dažnai išpilamos ir pildomos (pvz., kas savaitę), pasyvavimo sluoksnis prarandamas kiekvieną kartą keičiant vonią, o korozija vyksta pagal linijinę kinetiką. Tokiais atvejais storesnės sienos (2,5–3,0 mm) užtikrina proporcingą tarnavimo laiką.
Storesnių sienelių šiluminė nuobauda NaOH tirpaluose
20 % koncentracijos ir 80 laipsnių natrio hidroksido tirpalų šilumos laidumas yra maždaug 0,60–0,65 W/(m·K)-šiek tiek didesnis nei vandens. Tankis 1,15–1,20 g/cm³, klampumas 1,0–1,5 cP. Konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai maišomuose rezervuaruose svyruoja nuo 800 iki 1500 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond=0.00217. Su h=1,000 W/(m²·K), R_riba=0.00100. Bendra varža 1,5 mm=0.00209 → U=478 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00317 → U=315 W/(m²·K), sumažinimas 34 %. Ši bauda yra reikšminga. Kadangi dėl pasyvavimo storesnės sienos nėra reikalingos apsaugai nuo korozijos, rekomenduojamos plonos sienos (1,5–2,0 mm).
Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio atrankos matrica karšto NaOH paslauga
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Puslaidininkis RCA SC-1 (20 % NaOH, 80 laipsnių, nepertraukiamas, 3 mėnesius palaikoma vonia, didelis grynumas) | 1,5–2,0 mm, didelio-grynumo kvarcas, liepsna-poliruotas | Pasyvavimas sumažina koroziją iki<0.0002 mm/hour after 100h. 1.5 mm provides >5000 valandų. Plona sienelė greitai įkaista-. U ≈ 480 W/(m²·K). |
| Pramoninis riebalų šalinimo bakas (15% NaOH, 70 laipsnių, partija, tirpalas keičiamas kas savaitę) | 2,0 – 2,5 mm, standartinė markė | Jokio pasyvavimo dėl kassavaitinio vonios keitimo. Greitis ~0,002 mm/val. → 2,0 mm suteikia 1000 valandų (10 savaičių). U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Stiklo ėsdinimas (30% NaOH, 90 laipsnių, nenutrūkstamas, didelis silikato kaupimasis) | 1,5–2,0 mm, kaip-nubraižytas | Didelis silikato kiekis padidina pasyvumą. Visiškas nuostolis<0.5 mm/year. Thin wall for energy efficiency. |
| Valymas žemoje-temperatūroje (10 % NaOH, 60 laipsnių, su pertrūkiais) | 1,5 mm, standartinė klasė | Įvertink<0.0005 mm/hour after passivation. More than adequate. U ≈ 500 W/(m²·K). |
Papildomi dizaino pakeitimai:Išlaikant vonios grynumą išvengiama užteršimo, kuris sutrikdo pasyvavimą. Natrio silikato (0,1–0,5%) pridėjimas sustiprina apsauginio sluoksnio susidarymą. Vengiant dažno keitimo vonioje išsaugomas pasyvumas. Geras maišymas užtikrina vienodą temperatūrą ir apsaugo nuo vietinio perkaitimo.
