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曆史上最早的坩堝是用粘土製成的,但現在隻要這種材料能經受足夠高的溫度,那它就有可能成為一個合格的坩堝,像石英、石墨和剛玉等都是常見的坩堝材料。其中,石墨坩堝是作為多種類少數量的合金熔解最適合使用的坩堝,由於其具有良好的高溫性能和很長的使用壽命,而被應用於大型的合金冶煉鑄造工藝及礦石的熔解分析中。
但由於石墨坩堝在使用時基本都處於高溫條件下,而且周圍存在很多空氣,因為很容易被氧化。而且在冶煉鑄造、熔融工藝中,石墨坩堝會被嚴重腐蝕,降低其使用壽命。為了提高石墨坩堝的使用壽命,科學家想出了往石墨坩堝中添加耐腐蝕材料的方法。
在可供考慮的材料中,碳化矽由於具有穩定的化學性及強耐腐蝕性,且在高溫下的氧化產物是SiO2,能夠降低陶瓷坩堝的氣孔率、提高緻密性等,因此被認為是最匹配石墨坩堝的好幫手,能有效提高它的使用壽命。
但是添加材料也要講究科學,不能瞎搞,要合理的搭配才能最大限度發揮兩者的優勢,一般來說:
這主要是因為碳化矽的密度是3.2g/cm3,石墨的密度是2.62g/cm3,所以隨著碳化矽含量的增大,石墨坩堝的總體積就能減小,體積密度逐漸增大,氣孔率依次減小。
②隨著碳化矽含量增加,石墨坩堝失重率逐漸減小;氧化溫度越高,石墨坩堝氧化得越快;氧化時間越長,石墨坩堝的失重率越大,降低其抗氧化性。
這是因為一方面SiC具有很好的抗氧化性,首先SiC與CO反應生成SiO氣體和固體碳,碳沉積在SiC表面上,然後SiO氣體向周圍擴散與CO反應生成SiO2和C,這些反應使CO還原成C,並且體積膨脹,膨脹的體積將阻塞石墨坩堝中的氣孔,使得氧氣無法進入坩堝內部,從而減小其失重率,提高抗氧化性;另一方面坩堝中石墨是鱗片狀,與氧氣的接觸面積很大,其氧化速度很快,因此隨著石墨含量的降低,也會促進石墨坩堝抗氧化性能。
這主要是因為SiC在高溫下被氧化時,會形成了玻璃相的SiO2,該相發生流動填充了石墨坩堝中的氣孔,隨著SiC含量的增加,液相形成的程度也將增大。因此碳化矽含量越高,石墨坩堝的緻密性也就越高。
近年來,基於鑄造的工業活動正迅速發展,如礦山、鐵路、航空、國防等,因此對坩堝的需求也是日益增加。在添加了碳化矽這個小幫手後,石墨坩堝具有了高熱傳導性、耐熱衝擊性、高耐熱性、抗浸蝕性、抗機械性衝擊、抗氧化性、抗粘連性等優勢,主要被用作熔煉鋁和鋁合金、銅和銅基合金、鎳和鎳合金、貴金屬、鋅和氧化鋅等有色金屬的容器。目前石墨-碳化矽坩堝已逐漸代替黏土坩堝,在市場上的需求量已占整體的97%左右,相信在之後也還能有很大的發展空間。