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提高石墨坩埚性能的好帮手——碳化硅

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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承受足够的高温,就可能成为合格的坩埚,如石英、石墨和刚玉都是常用的坩埚材料。其中,石墨坩埚是最适合熔炼多种、少量合金的坩埚。由于其良好的高温性能和较长的使用寿命,被广泛应用于大型合金熔炼铸造工艺和矿石熔炼分析。

金在石墨坩埚中熔化

然而,石墨坩埚在使用时基本处于高温状态,而且坩埚周围有大量空气,因为它们容易被氧化。此外,石墨坩埚在熔炼铸造和熔炼过程中会严重腐蚀,降低使用寿命。为了提高石墨坩埚的使用寿命,科学家们提出了在石墨坩埚中添加耐腐蚀材料的方法。

在需要考虑的材料中,碳化硅因其化学稳定、耐腐蚀性强而被认为是石墨坩埚的最佳助熔剂,高温下的氧化产物是二氧化硅,可以降低陶瓷坩埚的孔隙率,提高坩埚的致密性,从而有效地提高其使用寿命。

但材料的添加也要注意科学性,不要胡闹,合理搭配才能充分发挥两者的优势。一般来说:

① 随着SiC含量的增加,石墨坩埚的密度增大,孔隙率降低。

这主要是因为碳化硅的密度为3.2g/cm3,石墨的密度为2.62g/cm3。因此,随着碳化硅含量的增加,石墨坩埚的总体积减小,体积密度逐渐增大,孔隙率依次减小。

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。


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