От аффинажа золота до научных исследований: всесторонний обзор современных применений керамических тиглей (1)
▶▶▶▶Что такое керамический тигель?
Современные керамические тигли представляют собой термостойкие контейнеры, изготовленные из высокочистых керамических материалов (таких как кварц, оксид алюминия, нитрид бора, оксид циркония и др.) в качестве основы методом высокоточного высокотемпературного спекания. Они используются в основном для хранения, плавки и проведения реакций различных твердых и жидких веществ.
По сути, керамические тигли приобретают свою прочность, позволяющую выдерживать экстремальные температуры в диапазоне от 1600 до 2700 °C, благодаря оптимизации структуры кристаллической решетки неорганических неметаллических материалов. Благодаря своей превосходной химической инертности и термостойкости, они стали незаменимыми компонентами в таких областях, как лабораторный анализ материалов, очистка драгоценных металлов в металлургической промышленности, выращивание полупроводникового монокристаллического кремния и литье слитков поликремния для новых энергетических технологий.
В целом, его важнейшей особенностью является способность сохранять стабильную морфологию и эксплуатационные характеристики в условиях экстремально высоких температур, а также он не поддается деформации или коррозии.
▶▶▶▶Распространенные материалы керамических тиглей
Материал является основным фактором при выборе тигля, поскольку он напрямую определяет, насколько высокие температуры тигель может выдерживать и каким химическим веществам он может противостоять коррозии.
1.Традиционная огнеупорная глина: производится путём обжига сырья, такого как глина и кварц. Она имеет низкую стоимость и содержит относительно большое количество SiO₂ (диоксида кремния), относящегося к кислым материалам. Она в основном используется для плавки кислых металлов или материалов, таких как медные сплавы. Её ни в коем случае нельзя использовать для плавки активных металлов, таких как алюминий, магний и титан, поскольку эти металлы восстанавливают кремний из SiO₂, что вызывает сильную коррозию тигля и может привести к его протечке или проколу. Она также широко используется в мелкосерийном литье и химических экспериментах.
2.Оксид алюминия (Эл₂O₃):Это наиболее распространённый тип [керамического материала для тиглей], выдерживающий температуру, как правило, выше 1600 °C, и обладающий высокой прочностью и превосходной химической стабильностью. Он широко используется в плавке металлов, спекании порошков, лабораторных анализах, высокотемпературных реакционных сосудах и других областях. Его максимальная рабочая температура и эксплуатационные характеристики зависят от чистоты (например, керамика с содержанием 99% оксида алюминия, керамика с содержанием 95% оксида алюминия и керамика с содержанием 85% оксида алюминия).
3. Оксид циркония (ZrO₂): Среди всех оксидных керамик он обладает самой высокой термостойкостью (температура плавления около 2700 °C), но его термостойкость относительно низкая. Он чрезвычайно устойчив к коррозии и обладает превосходной стабильностью, особенно к расплавленным металлам (таким как драгоценные металлы, как платина и палладий). Он используется в основном для высокотемпературной плавки драгоценных и активных металлов (например, платины, родия, палладия, титана), а также для спекания специальной керамики и футеровки высокотемпературных печей.
4. Кварц (SiO₂): это термостойкий контейнер, изготовленный из высокочистого кварцевого песка в качестве основного сырья методом высокотемпературной плавки, вытяжки или ротационного формования. Будучи преимущественно полупрозрачным, он выдерживает высокие температуры от 1200 до 1400 °C и широко используется при изготовлении полупроводниковых материалов и оптического стекла. Его главное преимущество заключается в высокой чистоте и низком содержании примесей, что гарантирует отсутствие загрязнения материалов при высокотемпературной обработке. Однако следует отметить, что кварцевые тигли неустойчивы к щелочам и подвержены коррозии при контакте с сильными щелочами.
5.Нитрид бора (БН): обладает хорошей теплопроводностью, самосмазывающимися свойствами, низкой адгезией к расплавленным металлам и простотой обработки, отсюда и название – белый графит (дддххх). Он выдерживает высокие температуры (около 3000 °C) в инертной атмосфере, но окисляется при высоких температурах на воздухе. Это идеальный материал для изготовления форм для формовки металлов, тиглей для плавки металлов (особенно алюминия, меди и полупроводниковых материалов), а также испарительных лодочек для вакуумного алюминирования.
6.Карбид кремния (SiC): обладает чрезвычайно высокой твёрдостью, теплопроводностью и стойкостью к тепловым ударам. Он сохраняет высокую прочность при высоких температурах, но не устойчив к воздействию сильных окисляющих кислот и щелочей; медленно окисляется при высоких температурах (выше 1000 °C) на воздухе. Его широко используют в печных приспособлениях (например, полках и поддонах), высокотемпературных теплообменниках и алюминиевых трубопроводах для транспортировки жидкостей. Его также можно использовать в качестве высокопроизводительного тигля для плавки цветных металлов.
7.Оксид магния (MgO): имеет высокую температуру плавления (около 2850 °C) и является щелочным материалом, поэтому особенно устойчив к коррозии, вызываемой щелочными расплавленными шлаками. Однако он легко реагирует с водяным паром, образуя гидроксид магния, и превращается в порошок, что затрудняет его хранение. В основном он используется для плавки щелочных материалов или металлов, таких как никель, уран, торий и др.
``````
▶▶▶▶Распространённые формы и размеры керамических тиглей
Цилиндрическая: Подходит для равномерного нагрева:
Квадратная или прямоугольная форма: обычно используется для спекания порошковых материалов:
Тип глубокой трубки: подходит для плавки металлов, предотвращает разбрызгивание жидкости:
Плоского типа: используется для озоления или выпаривания:
Тигель с крышкой: предотвращает разбрызгивание материала, снижает потери тепла и изолирует воздух:
Тигли специальной формы (неправильной и т.п.): служащие для специальных процессов, например, литейные ковши, специальные устройства для перегонки и очистки и т.п.:
Распространенные размеры:
(1) Малый размер: несколько десятков миллилитров (например, диаметр 20–50 мм), используется для анализа лабораторных образцов.
(2) Средний размер: несколько сотен миллилитров (диаметр 100-150 мм), используется для обработки небольших партий материала.
(3) Большой размер: несколько литров или даже десятков литров (диаметр более 200 мм), обычно встречается в промышленной плавке и крупномасштабных экспериментах.