Von der Goldraffination zur wissenschaftlichen Forschung: Ein umfassender Überblick über die modernen Anwendungen von Keramiktiegeln(1)
▶▶▶▶Was ist ein Keramiktiegel
Moderne Keramiktiegel sind hochtemperaturbeständige Behälter, die aus hochreinen Keramikmaterialien (wie Quarz, Aluminiumoxid, Bornitrid, Zirkonoxid usw.) als Grundmaterial durch ein präzises Hochtemperatur-Sinterverfahren hergestellt werden. Sie werden hauptsächlich zum Aufbewahren, Schmelzen und Ermöglichen von Reaktionen verschiedener fester oder flüssiger Substanzen verwendet.
Keramiktiegel erhalten ihre robuste Eigenschaft, extremen Temperaturen von 1600 °C bis 2700 °C standzuhalten, im Wesentlichen durch die Optimierung der Gitterstruktur anorganischer, nichtmetallischer Materialien. Dank ihrer hervorragenden chemischen Inertheit und Thermoschockstabilität sind sie mittlerweile zu unverzichtbaren Komponenten in Bereichen wie der Materialanalyse im Labor, der Edelmetallreinigung in der metallurgischen Industrie, der Herstellung von monokristallinem Silizium für Halbleiter und dem Gießen von Polysilizium-Ingots für neue Energien geworden.
Insgesamt ist seine größte Eigenschaft die Fähigkeit, in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen eine stabile Morphologie und Leistung aufrechtzuerhalten, und es verformt oder korrodiert nicht so leicht.
▶▶▶▶Gängige Materialien von Keramiktiegeln
Das Material ist der wichtigste Faktor bei der Auswahl eines Tiegels, da es direkt bestimmt, wie hohen Temperaturen der Tiegel standhält und welchen chemischen Substanzen er korrosionsbeständig ist.
1.Traditioneller feuerfester Ton: Er wird durch Brennen von Rohstoffen wie Ton und Quarz hergestellt. Er ist kostengünstig und enthält relativ viel SiO₂ (Siliziumdioxid), das zu den säurehaltigen Materialien gehört. Er wird hauptsächlich zum Schmelzen säurehaltiger Metalle oder Materialien wie Kupferlegierungen verwendet. Er darf niemals zum Schmelzen von aktiven Metallen wie Aluminium, Magnesium und Titan verwendet werden, da diese Metalle Silizium aus SiO₂ reduzieren, was zu starker Korrosion des Tiegels und sogar zu Undichtigkeiten oder Löchern führen kann. Er wird auch häufig beim Gießen im kleinen Maßstab und bei chemischen Experimenten verwendet.
2.Aluminiumoxid (Al₂O₃):Es ist der am häufigsten verwendete Typ [von keramischem Tiegelmaterial] mit einer Temperaturbeständigkeit von üblicherweise über 1600 °C und verfügt über eine hohe Festigkeit sowie ausgezeichnete chemische Stabilität. Es wird häufig in der Metallschmelze, beim Pulversintern, in der Laboranalyse, in Hochtemperaturreaktionsgefäßen und anderen Anwendungen eingesetzt. Seine maximale Betriebstemperatur und Leistung variieren je nach Reinheit (z. B. 99 % Aluminiumoxidkeramik, 95 % Aluminiumoxidkeramik und 85 % Aluminiumoxidkeramik).
3. Zirkoniumoxid (ZrO₂): Es weist von allen Oxidkeramiken die höchste Temperaturbeständigkeit auf (mit einem Schmelzpunkt von ca. 2700 °C), seine Thermoschockbeständigkeit ist jedoch relativ gering. Es ist extrem korrosionsbeständig und weist eine ausgezeichnete Stabilität insbesondere gegenüber geschmolzenen Metallen (wie Edelmetallen wie Platin und Palladium) auf. Es wird hauptsächlich zum Hochtemperaturschmelzen von Edelmetallen und Aktivmetallen (z. B. Platin, Rhodium, Palladium, Titan) sowie zum Sintern von Spezialkeramiken und Hochtemperaturofenauskleidungen verwendet.
4. Quarz (SiO₂): Dies ist ein hochtemperaturbeständiger Behälter, der aus hochreinem Quarzsand als Hauptrohstoff durch Hochtemperaturschmelzen, Ziehen oder Rotationsformverfahren hergestellt wird. Der größtenteils durchscheinende Quarz hält hohen Temperaturen von 1200 °C bis 1400 °C stand und wird häufig bei der Herstellung von Halbleitermaterialien und optischem Glas verwendet. Sein größter Vorteil liegt in der hohen Reinheit und dem geringen Gehalt an Verunreinigungen, wodurch sichergestellt wird, dass die Materialien bei der Hochtemperaturverarbeitung nicht verunreinigt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass Quarztiegel nicht alkalibeständig sind und bei Kontakt mit starken Laugen zur Korrosion neigen.
5.Bornitrid (BN): Es hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, selbstschmierende Eigenschaften, eine geringe Haftung an geschmolzenen Metallen und lässt sich leicht verarbeiten, daher der Name „weißer Graphit“. Es hält hohen Temperaturen (ca. 3000 °C) in einer inerten Atmosphäre stand, oxidiert jedoch bei hohen Temperaturen an der Luft. Es ist ein ideales Material für Metallformungsformen, Tiegel zum Schmelzen von Metallen (insbesondere Aluminium, Kupfer und Halbleitermaterialien) und Verdampferschiffchen für die Vakuum-Aluminiumbeschichtung.
6.Siliziumkarbid (SiC): Es besitzt eine extrem hohe Härte, Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Es behält seine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, ist jedoch nicht beständig gegen stark oxidierende Säuren und Laugen; es oxidiert langsam bei hohen Temperaturen (z. B. 1000 °C) an der Luft. Es wird häufig in Brennhilfsmitteln (wie Regalen und Kapseln), Hochtemperatur-Wärmetauschern und Aluminium-Flüssigkeitstransportrohren verwendet. Es kann auch als Hochleistungstiegel zum Schmelzen von Nichteisenmetallen verwendet werden.
7.Magnesiumoxid (MgO): Es hat einen hohen Schmelzpunkt (ca. 2850 °C) und ist ein alkalisches Material, daher besonders korrosionsbeständig gegenüber alkalischen Schmelzschlacken. Es reagiert jedoch leicht mit Wasserdampf zu Magnesiumhydroxid und pulverisiert, was die Lagerung erschwert. Es wird hauptsächlich zum Schmelzen alkalischer Materialien oder Metalle wie Nickel, Uran, Thorium usw. verwendet.
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▶▶▶▶Gängige Formen und Größen von Keramiktiegeln
Zylindrisch: Geeignet für gleichmäßiges Erhitzen:
Quadratisch oder rechteckig: üblicherweise zum Sintern von Pulvermaterialien verwendet:
Tiefrohrtyp: geeignet zum Schmelzen von Metallen, um das Herausspritzen von Flüssigkeit zu verhindern:
Flachtyp: Wird zum Veraschen oder Verdampfen verwendet:
Tiegel mit Deckel: verhindert Materialspritzer, reduziert Wärmeverluste und isoliert die Luft:
Tiegel mit spezieller Form (unregelmäßig usw.): dienen bestimmten Prozessen, wie z. B. Gießpfannen, spezielle Geräte zur Destillation und Reinigung usw.:
Gängige Größen:
(1) Kleine Größe: Mehrere zehn Milliliter (z. B. Durchmesser 20–50 mm), verwendet für die Analyse von Laborproben.
(2) Mittlere Größe: mehrere hundert Milliliter (Durchmesser 100–150 mm), verwendet für die Materialverarbeitung in kleinen Mengen.
(3) Große Größe: mehrere Liter oder sogar Dutzende Liter (Durchmesser über 200 mm), häufig anzutreffen beim industriellen Schmelzen und bei groß angelegten Experimenten.