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提高石墨坩埚性能的好帮手——碳化硅
2020年03月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:401
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历史上最早的坩埚是用粘土制成的,但现在只要这种材料能经受足够高的温度,那它就有可能成为一个合格的坩埚,像石英、石墨和刚玉等都是常见的坩埚材料。其中,石墨坩埚是作为多种类少数量的合金熔解最适合使用的坩埚,由于其具有良好的高温性能和很长的使用寿命,而被应用于大型的合金冶炼铸造工艺及矿石的熔解分析中。

 

金在石墨坩埚中熔化

但由于石墨坩埚在使用时基本都处于高温条件下,而且周围存在很多空气,因为很容易被氧化。而且在冶炼铸造、熔融工艺中,石墨坩埚会被严重腐蚀,降低其使用寿命。为了提高石墨坩埚的使用寿命,科学家想出了往石墨坩埚中添加耐腐蚀材料的方法。

在可供考虑的材料中,碳化硅由于具有稳定的化学性及强耐腐蚀性,且在高温下的氧化产物是SiO2,能够降低陶瓷坩埚的气孔率、提高致密性等,因此被认为是最匹配石墨坩埚的好帮手,能有效提高它的使用寿命。

但是添加材料也要讲究科学,不能瞎搞,要合理的搭配才能最大限度发挥两者的优势,一般来说:

①随着碳化硅含量增加,石墨坩埚的密度增大,气孔率变小。

这主要是因为碳化硅的密度是3.2 g/cm3,石墨的密度是2.62 g/cm3,所以随着碳化硅含量的增大,石墨坩埚的总体积就能减小,体积密度逐渐增大,气孔率依次减小。

 不同碳化硅含量下,石墨坩埚试样的体积密度与气孔率

 

②随着碳化硅含量增加,石墨坩埚失重率逐渐减小;氧化温度越高,石墨坩埚氧化得越快;氧化时间越长,石墨坩埚的失重率越大,降低其抗氧化性。

这是因为一方面SiC具有很好的抗氧化性,首先SiC与CO反应生成SiO气体和固体碳,碳沉积在SiC表面上,然后SiO气体向周围扩散与CO反应生成SiO2和C,这些反应使CO还原成C,并且体积膨胀,膨胀的体积将阻塞石墨坩埚中的气孔,使得氧气无法进入坩埚内部,从而减小其失重率,提高抗氧化性;另一方面坩埚中石墨是鳞片状,与氧气的接触面积很大,其氧化速度很快,因此随着石墨含量的降低,也会促进石墨坩埚抗氧化性能。

 

不同温度下的失重率

③碳化硅含量越高,石墨坩埚就越致密;而烧成温度的增加在一定范围内也增强石墨坩埚的致密性。

这主要是因为SiC在高温下被氧化时,会形成了玻璃相的SiO2,该相发生流动填充了石墨坩埚中的气孔,随着SiC含量的增加,液相形成的程度也将增大。因此碳化硅含量越高,石墨坩埚的致密性也就越高。

 

上图是坩埚在1100℃和1200℃烧成条件下的显微结构照片,可看出不同烧成温度的试样致密性也不相同,1200℃要比1100℃烧成的试样致密性好很多。因为在1200℃高温下材料已经熔融,因此接触面上出现更多的液相熔合,形成连续的烧结网络,通过网络使制备坩埚的所有材料联成一个整体,从而提高其致密性。

 

近年来,基于铸造的工业活动正迅速发展,如矿山、铁路、航空、国防等,因此对坩埚的需求也是日益增加。在添加了碳化硅这个小帮手后,石墨坩埚具有了高热传导性、耐热冲击性、高耐热性、抗浸蚀性、抗机械性冲击、抗氧化性、抗粘连性等优势,主要被用作熔炼铝和铝合金、铜和铜基合金、镍和镍合金、贵金属、锌和氧化锌等有色金属的容器。目前石墨-碳化硅坩埚已逐渐代替黏土坩埚,在市场上的需求量已占整体的97%左右,相信在之后也还能有大的发展空间。

资料来源:

石墨坩埚性能的影响因素分析,孟梅,张颖,张军战,王浩。

粉体圈 小榆


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