提高石墨坩堝性能的好幫手——碳化硅

　　歷史上較早的坩堝是用粘土制成的，但現(xiàn)在只要這種材料能經(jīng)受足夠高的溫度，那它就有可能成為一個(gè)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(shù)量的合金熔解適合使用的坩堝，由于其具有良好的高溫性能和很長的使用壽命，而被應(yīng)用于大型的合金冶煉鑄造工藝及礦石的熔解分析中。

　　金在石墨坩堝中熔化

　　但由于石墨坩堝在使用時(shí)基本都處于高溫條件下，而且周圍存在很多空氣，因?yàn)楹苋菀妆谎趸?。而且在冶煉鑄造、熔融工藝中，石墨坩堝會被嚴(yán)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(xué)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，碳化硅由于具有穩(wěn)定的化學(xué)性及強(qiáng)耐腐蝕性，且在高溫下的氧化產(chǎn)物是SiO2，能夠降低陶瓷坩堝的氣孔率、提高致密性等，因此被認(rèn)為是較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(xué)，不能瞎搞，要合理的搭配才能較大限度發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，一般來說：

　?、匐S著碳化硅含量增加，石墨坩堝的密度變大，氣孔率變小。

　　這主要是因?yàn)樘蓟璧拿芏仁?.2g/cm3，石墨的密度是2.62g/cm3，所以隨著碳化硅含量的變大，石墨坩堝的總體積就能減小，體積密度逐漸變大，氣孔率依次減小。

　?、陔S著碳化硅含量增加，石墨坩堝失重率逐漸減?。谎趸瘻囟仍礁?，石墨坩堝氧化得越快；氧化時(shí)間越長，石墨坩堝的失重率越大，降低其抗氧化性。

　　這是因?yàn)橐环矫鍿iC具有很好的抗氧化性，首先SiC與CO反應(yīng)生成SiO氣體和固體碳，碳沉積在SiC表面上，然后SiO氣體向周圍擴(kuò)散與CO反應(yīng)生成SiO2和C，這些反應(yīng)使CO還原成C，并且體積膨脹，膨脹的體積將阻塞石墨坩堝中的氣孔，使得氧氣無法進(jìn)入坩堝內(nèi)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(jìn)石墨坩堝抗氧化性能。

　　不同溫度下的失重率

　?、厶蓟韬吭礁撸釄寰驮街旅?；而燒成溫度的增加在一定范圍內(nèi)也增強(qiáng)石墨坩堝的致密性。

　　這主要是因?yàn)镾iC在高溫下被氧化時(shí)，會形成了玻璃相的SiO2，該相發(fā)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變大。因此碳化硅含量越高，石墨坩堝的致密性也就越高。

　　坩堝在1100℃和1200℃燒成條件下的顯微結(jié)構(gòu)，可看出不同燒成溫度的試樣致密性也不相同，1200℃要比1100℃燒成的試樣致密性好很多。因?yàn)樵?200℃高溫下材料已經(jīng)熔融，因此接觸面上出現(xiàn)更多的液相熔合，形成連續(xù)的燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)使制備坩堝的所有材料聯(lián)成一個(gè)整體，從而提高其致密性。

　　近年來，基于鑄造的工業(yè)活動正迅速發(fā)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。在添加了碳化硅這個(gè)小幫手后，石墨坩堝具有了高熱傳導(dǎo)性、耐熱沖擊性、高耐熱性、抗浸蝕性、抗機(jī)械性沖擊、抗氧化性、抗粘連性等優(yōu)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-碳化硅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，相信在之后也還能有很大的發(fā)展空間。