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什么是“坩埚”,上千度的钢水都无法熔化它,这到底是个啥材料

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坩埚

如果你和我一样喜欢看一些打铁铸剑类的视频,一定见过铁匠们总会用到一个黑色的圆形的东西,用它盛放金属原料,再放入火炉中加热,就可以得到融化的金属。

这个黑色的圆形的东西就是坩埚,它最大的特点就是耐高温,因此才能用在对金属矿物的加工之中。



古代人们使用坩埚进行铜器、铁器和玻璃等物品的制作。或许你听说过青铜时代和铁器时代,这些阶段标志着人类利用坩埚熔炼金属的历史。

借助坩埚,人类得以善用金属的性质,制造出各种工具、武器、装饰品等,推动了人类文明的演进。



如今,坩埚在工业、科学和艺术领域广泛应用。举例来说,用于制造钢铁、合成化合物以及拉制单晶硅等。

钢铁是我们日常生活中常见的材料之一,是铁和碳的合金,拥有高强度和韧性。钢铁的制造过程涉及使用坩埚,将铁矿石和焦炭放入坩埚中,高温加热使其熔化,接着利用各种工业技术来调整碳的含量,最终制得不同种类的钢铁。



合成化合物也常需借助坩埚。将各种元素或物质置入坩埚中,高温加热使其熔化,接着经由化学反应或物理变化生成新物质,比如水、盐、糖等。

还有单晶硅,一种纯净的硅晶体,拥有极高的导电性和光电性,是制造电子元件和太阳能电池的主要材料。



制备单晶硅也依赖于坩埚。将多晶硅放入坩埚中,高温加热至熔化状态,然后通过控制温度和速度,从坩埚中拉出一根细长的硅棒,这便是单晶硅的制备过程。

这些例子展示了坩埚的重要性。它有助于改变物质的形态和特性,创造出多样有用的物质和产品。



坩埚烧不坏

既然坩埚是用来熔化金属的,那它自己不会被熔化吗?为什么能融化钢铁的高温也烧不坏坩埚呢?这是因为坩埚的材料选择了一些特殊的物质,它们有着很高的熔点和抗腐蚀性,能够在高温下保持稳定,不与熔融物质发生反应。



坩埚的材料种类多样,主要分为以下几种:

  • 石墨坩埚

由结晶质的天然石墨制成,有利于加热材料,同时自己也扛得住高温,可抵抗酸碱腐蚀,适用于冶炼合金工具钢和各种有色金属及其合金。石墨的熔点高达3652℃,远高于钢铁的熔点(约1500℃)。



  • 镍坩埚

顾名思义主要材料就是镍,如果加工材料是碱性的,就可以使用这种坩埚,但如果是酸性的或者是含硫的材料,就不可以用。镍的熔点高于钢铁的熔点,所以用来熔化金属材料也没问题。



  • 石英坩埚

由石英制成,可在1450度以下使用,分为透明和不透明两种。透明的石英坩埚用于拉制大直径的单晶硅,是发展大规模集成电路的基础材料。

石英坩埚不能与氢氟酸接触,也不能与强碱或碱金属的碳酸盐发生反应,适用于使用K2S2O7、KHSO4等酸性物质作熔剂的样品。石英的熔点为1713℃,也高于钢铁的熔点。



  • 瓷坩埚

以瓷土为主要原料,可耐热约1200度,适用于使用K2S2O7等酸性物质熔融样品,但不适用于使用NaOH、Na2O2、Na2CO3等碱性物质作熔剂熔融样品,也不可与氢氟酸接触。瓷的熔点为1410℃,略低于钢铁的熔点,但仍可承受一定高温。



  • 刚玉坩埚

这种坩埚的主要材料是多孔熔融氧化铝,质地非常结实,又不会轻易熔化,通常用来盛放无水碳酸钠等弱碱性物质作熔剂熔融样品,但不适用于使用Na2O2、NaOH等强碱性物质和酸性物质作熔剂熔融样品。刚玉的熔点为2045℃,是所有坩埚材料中最高的。

这些材料的选择使坩埚能在高温下稳定运作,不仅能够承受熔融物质的高温,还能保持其完整性和性能。



制造坩埚

既然坩埚能承受如此高温,又是如何加工制作出来的呢?其实,坩埚的制作方法有很多种,主要取决于坩埚的材料和大小。

制作小容量(25kg以下)特殊耐火材料坩埚的一种方法是采用砂浆浇注成型法,适用于制作CaO、BeO、ZrO等材质的坩埚。



首先,将高纯氧化物粉料和黏合剂在球磨机中充分研磨混合,制成砂浆。这一步确保原料充分混合,为后续的坩埚制作提供均匀的材料。

将制成的砂浆注入事先制备好的石膏坩埚模型中。这一步是为了去除材料中的水分,之后才能对外观进行修整。



将干燥脱水后的坩埚坯料放入窑炉中,在1000~1200℃进行预烧。此步骤有助于增强坩埚的稳定性和耐高温性。

冷却后,进行修整加工。最后,在高温窑炉中进行高温烧结,温度通常在1700-1800℃之间。这一步使坩埚材料更加致密,确保其在极端条件下的性能。

通过这种砂浆浇注成型法,制得的坩埚具备了所需的特殊材质和性能,适用于各种高温环境下的应用。



压力成型法是用于制作容量在100kg以下的坩埚,例如石墨、镍、瓷等材质的一种方法。首先,将用于制作坩埚的砂料按不同粒度比例混合均匀。这确保了最终的坩埚坯料具备所需的材料特性。

将混合好的材料装入压力成型模具内,并施加压力使其成型。压力成型法分为简单压力成型和等静压成型两种方式。简单压力成型通过上、下压头异向加压,形成坩埚坯料。



而等静压成型则在被施压物的全部表面施加相等的压力,这样就可以最终成型。然后再将坯料中的水分除去,最终用高温烧制成为成品。



以及还有炉内成型法、砌筑法等很多种不同的方式,主要取决于坩埚的材料和大小。坩埚的制作过程都需要经过研磨、混合、成型、干燥、烧结等步骤,才能使坩埚具有高强度、高耐热性和高抗腐蚀性。



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