什么是“坩堝”，上千度的鋼水都無(wú)法熔化它，這到底是個(gè)啥材料

如果你和我一樣喜歡看一些打鐵鑄劍類(lèi)的視頻，一定見(jiàn)過(guò)鐵匠們總會(huì)用到一個(gè)黑色的圓形的東西，用它盛放金屬原料，再放入火爐中加熱，就可以得到融化的金屬。

這個(gè)黑色的圓形的東西就是坩堝，它最大的特點(diǎn)就是耐高溫，因此才能用在對(duì)金屬礦物的加工之中。

古代人們使用坩堝進(jìn)行銅器、鐵器和玻璃等物品的制作�；蛟S你聽(tīng)說(shuō)過(guò)青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代，這些階段標(biāo)志著人類(lèi)利用坩堝熔煉金屬的歷史。

借助坩堝，人類(lèi)得以善用金屬的性質(zhì)，制造出各種工具、武器、裝飾品等，推動(dòng)了人類(lèi)文明的演進(jìn)。

如今，坩堝在工業(yè)、科學(xué)和藝術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，用于制造鋼鐵、合成化合物以及拉制單晶硅等。

鋼鐵是我們?nèi)粘Ｉ�活中常�?jiàn)的材料之一，是鐵和碳的合金，擁有高強(qiáng)度和韌性。鋼鐵的制造過(guò)程涉及使用坩堝，將鐵礦石和焦炭放入坩堝中，高溫加熱使其熔化，接著利用各種工業(yè)技術(shù)來(lái)調(diào)整碳的含量，最終制得不同種類(lèi)的鋼鐵。

合成化合物也常需借助坩堝。將各種元素或物質(zhì)置入坩堝中，高溫加熱使其熔化，接著經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)或物理變化生成新物質(zhì)，比如水、鹽、糖等。

還有單晶硅，一種純凈的硅晶體，擁有極高的導(dǎo)電性和光電性，是制造電子元件和太陽(yáng)能電池的主要材料。

制備單晶硅也依賴(lài)于坩堝。將多晶硅放入坩堝中，高溫加熱至熔化狀態(tài)，然后通過(guò)控制溫度和速度，從坩堝中拉出一根細(xì)長(zhǎng)的硅棒，這便是單晶硅的制備過(guò)程。

這些例子展示了坩堝的重要性。它有助于改變物質(zhì)的形態(tài)和特性，創(chuàng)造出多樣有用的物質(zhì)和產(chǎn)品。

坩堝燒不壞

既然坩堝是用來(lái)熔化金屬的，那它自己不會(huì)被熔化嗎？為什么能融化鋼鐵的高溫也燒不壞坩堝呢？這是因?yàn)檑釄宓牟牧线x擇了一些特殊的物質(zhì)，它們有著很高的熔點(diǎn)和抗腐蝕性，能夠在高溫下保持穩(wěn)定，不與熔融物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

坩堝的材料種類(lèi)多樣，主要分為以下幾種：

石墨坩堝

由結(jié)晶質(zhì)的天然石墨制成，有利于加熱材料，同時(shí)自己也扛得住高溫，可抵抗酸堿腐蝕，適用于冶煉合金工具鋼和各種有色金屬及其合金。石墨的熔點(diǎn)高達(dá)3652℃，遠(yuǎn)高于鋼鐵的熔點(diǎn)（約1500℃）。

鎳坩堝

顧名思義主要材料就是鎳，如果加工材料是堿性的，就可以使用這種坩堝，但如果是酸性的或者是含硫的材料，就不可以用。鎳的熔點(diǎn)高于鋼鐵的熔點(diǎn)，所以用來(lái)熔化金屬材料也沒(méi)問(wèn)題。

石英坩堝

由石英制成，可在1450度以下使用，分為透明和不透明兩種。透明的石英坩堝用于拉制大直徑的單晶硅，是發(fā)展大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)材料。

石英坩堝不能與氫氟酸接觸，也不能與強(qiáng)堿或堿金屬的碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，適用于使用K2S2O7、KHSO4等酸性物質(zhì)作熔劑的樣品。石英的熔點(diǎn)為1713℃，也高于鋼鐵的熔點(diǎn)。

瓷坩堝

以瓷土為主要原料，可耐熱約1200度，適用于使用K2S2O7等酸性物質(zhì)熔融樣品，但不適用于使用NaOH、Na2O2、Na2CO3等堿性物質(zhì)作熔劑熔融樣品，也不可與氫氟酸接觸。瓷的熔點(diǎn)為1410℃，略低于鋼鐵的熔點(diǎn)，但仍可承受一定高溫。

剛玉坩堝

這種坩堝的主要材料是多孔熔融氧化鋁，質(zhì)地非常結(jié)實(shí)，又不會(huì)輕易熔化，通常用來(lái)盛放無(wú)水碳酸鈉等弱堿性物質(zhì)作熔劑熔融樣品，但不適用于使用Na2O2、NaOH等強(qiáng)堿性物質(zhì)和酸性物質(zhì)作熔劑熔融樣品。剛玉的熔點(diǎn)為2045℃，是所有坩堝材料中最高的。

這些材料的選擇使坩堝能在高溫下穩(wěn)定運(yùn)作，不僅能夠承受熔融物質(zhì)的高溫，還能保持其完整性和性能。

制造坩堝

既然坩堝能承受如此高溫，又是如何加工制作出來(lái)的呢？其實(shí)，坩堝的制作方法有很多種，主要取決于坩堝的材料和大小。

制作小容量（25kg以下）特殊耐火材料坩堝的一種方法是采用砂漿澆注成型法，適用于制作CaO、BeO、ZrO等材質(zhì)的坩堝。

首先，將高純氧化物粉料和黏合劑在球磨機(jī)中充分研磨混合，制成砂漿。這一步確保原料充分混合，為后續(xù)的坩堝制作提供均勻的材料。

將制成的砂漿注入事先制備好的石膏坩堝模型中。這一步是為了去除材料中的水分，之后才能對(duì)外觀進(jìn)行修整。

將干燥脫水后的坩堝坯料放入窯爐中，在1000~1200℃進(jìn)行預(yù)燒。此步驟有助于增強(qiáng)坩堝的穩(wěn)定性和耐高溫性。

冷卻后，進(jìn)行修整加工。最后，在高溫窯爐中進(jìn)行高溫?zé)�結(jié)，溫度通常在1700-1800℃之間。這一步使坩堝材料更加致密，確保其在極端條件下的性能。

通過(guò)這個(gè)砂漿澆注成型法，制得的坩堝具備了所需的特殊材質(zhì)和性能，適用于各種高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

壓力成型法是用于制作容量在100kg以下的坩堝，例如石墨、鎳、瓷等材質(zhì)的一種方法。首先，將用于制作坩堝的砂料按不同粒度比例混合均勻。這確保了最終的坩堝坯料具備所需的材料特性。

將混合好的材料裝入壓力成型模具內(nèi)，并施加壓力使其成型。壓力成型法分為簡(jiǎn)單壓力成型和等靜壓成型兩種方式。簡(jiǎn)單壓力成型通過(guò)上、下壓頭異向加壓，形成坩堝坯料。

而等靜壓成型則在被施壓物的全部表面施加相等的壓力，這樣就可以最終成型。然后再將坯料中的水分除去，最終用高溫?zé)�制成為成品�?/p>

以及還有爐內(nèi)成型法、砌筑法等很多種不同的方式，主要取決于坩堝的材料和大小。坩堝的制作過(guò)程都需要經(jīng)過(guò)研磨、混合、成型、干燥、燒結(jié)等步驟，才能使坩堝具有高強(qiáng)度、高耐熱性和高抗腐蝕性。