什么是“坩埚”,上千度的钢水都无法熔化它,这到底是个啥材料
如果你和我一样喜欢看一些打铁铸剑类的视频,一定见过铁匠们总会用到一个黑色的圆形的东西,用它盛放金属原料,再放入火炉中加热,就可以得到融化的金属。
这个黑色的圆形的东西就是坩埚,它最大的特点就是耐高温,因此才能用在对金属矿物的加工之中。
古代人们使用坩埚进行铜器、铁器和玻璃等物品的制作。或许你听说过青铜时代和铁器时代,这些阶段标志着人类利用坩埚熔炼金属的历史。
借助坩埚,人类得以善用金属的性质,制造出各种工具、武器、装饰品等,推动了人类文明的演进。
如今,坩埚在工业、科学和艺术领域广泛应用。举例来说,用于制造钢铁、合成化合物以及拉制单晶硅等。
钢铁是我们日常生活中常见的材料之一,是铁和碳的合金,拥有高强度和韧性。钢铁的制造过程涉及使用坩埚,将铁矿石和焦炭放入坩埚中,高温加热使其熔化,接着利用各种工业技术来调整碳的含量,最终制得不同种类的钢铁。
合成化合物也常需借助坩埚。将各种元素或物质置入坩埚中,高温加热使其熔化,接着经由化学反应或物理变化生成新物质,比如水、盐、糖等。
还有单晶硅,一种纯净的硅晶体,拥有极高的导电性和光电性,是制造电子元件和太阳能电池的主要材料。

制备单晶硅也依赖于坩埚。将多晶硅放入坩埚中,高温加热至熔化状态,然后通过控制温度和速度,从坩埚中拉出一根细长的硅棒,这便是单晶硅的制备过程。
这些例子展示了坩埚的重要性。它有助于改变物质的形态和特性,创造出多样有用的物质和产品。
坩埚烧不坏
既然坩埚是用来熔化金属的,那它自己不会被熔化吗?为什么能融化钢铁的高温也烧不坏坩埚呢?这是因为坩埚的材料选择了一些特殊的物质,它们有着很高的熔点和抗腐蚀性,能够在高温下保持稳定,不与熔融物质发生反应。
坩埚的材料种类多样,主要分为以下几种:
石墨坩埚
由结晶质的天然石墨制成,有利于加热材料,同时自己也扛得住高温,可抵抗酸碱腐蚀,适用于冶炼合金工具钢和各种有色金属及其合金。石墨的熔点高达3652℃,远高于钢铁的熔点(约1500℃)。
镍坩埚
顾名思义主要材料就是镍,如果加工材料是碱性的,就可以使用这种坩埚,但如果是酸性的或者是含硫的材料,就不可以用。镍的熔点高于钢铁的熔点,所以用来熔化金属材料也没问题。

石英坩埚
由石英制成,可在1450度以下使用,分为透明和不透明两种。透明的石英坩埚用于拉制大直径的单晶硅,是发展大规模集成电路的基础材料。
石英坩埚不能与氢氟酸接触,也不能与强碱或碱金属的碳酸盐发生反应,适用于使用K2S2O7、KHSO4等酸性物质作熔剂的样品。石英的熔点为1713℃,也高于钢铁的熔点。
瓷坩埚
以瓷土为主要原料,可耐热约1200度,适用于使用K2S2O7等酸性物质熔融样品,但不适用于使用NaOH、Na2O2、Na2CO3等碱性物质作熔剂熔融样品,也不可与氢氟酸接触。瓷的熔点为1410℃,略低于钢铁的熔点,但仍可承受一定高温。
刚玉坩埚
这种坩埚的主要材料是多孔熔融氧化铝,质地非常结实,又不会轻易熔化,通常用来盛放无水碳酸钠等弱碱性物质作熔剂熔融样品,但不适用于使用Na2O2、NaOH等强碱性物质和酸性物质作熔剂熔融样品。刚玉的熔点为2045℃,是所有坩埚材料中最高的。
这些材料的选择使坩埚能在高温下稳定运作,不仅能够承受熔融物质的高温,还能保持其完整性和性能。
制造坩埚
既然坩埚能承受如此高温,又是如何加工制作出来的呢?其实,坩埚的制作方法有很多种,主要取决于坩埚的材料和大小。
制作小容量(25kg以下)特殊耐火材料坩埚的一种方法是采用砂浆浇注成型法,适用于制作CaO、BeO、ZrO等材质的坩埚。

首先,将高纯氧化物粉料和黏合剂在球磨机中充分研磨混合,制成砂浆。这一步确保原料充分混合,为后续的坩埚制作提供均匀的材料。
将制成的砂浆注入事先制备好的石膏坩埚模型中。这一步是为了去除材料中的水分,之后才能对外观进行修整。
将干燥脱水后的坩埚坯料放入窑炉中,在1000~1200℃进行预烧。此步骤有助于增强坩埚的稳定性和耐高温性。
冷却后,进行修整加工。最后,在高温窑炉中进行高温烧结,温度通常在1700-1800℃之间。这一步使坩埚材料更加致密,确保其在极端条件下的性能。
通过这个砂浆浇注成型法,制得的坩埚具备了所需的特殊材质和性能,适用于各种高温环境下的应用。
压力成型法是用于制作容量在100kg以下的坩埚,例如石墨、镍、瓷等材质的一种方法。首先,将用于制作坩埚的砂料按不同粒度比例混合均匀。这确保了最终的坩埚坯料具备所需的材料特性。
将混合好的材料装入压力成型模具内,并施加压力使其成型。压力成型法分为简单压力成型和等静压成型两种方式。简单压力成型通过上、下压头异向加压,形成坩埚坯料。
而等静压成型则在被施压物的全部表面施加相等的压力,这样就可以最终成型。然后再将坯料中的水分除去,最终用高温烧制成为成品。
以及还有炉内成型法、砌筑法等很多种不同的方式,主要取决于坩埚的材料和大小。坩埚的制作过程都需要经过研磨、混合、成型、干燥、烧结等步骤,才能使坩埚具有高强度、高耐热性和高抗腐蚀性。
大家都在看
-
宇宙探索·原初引力波:暴胀的终极指纹 宇宙探索·原初引力波:暴胀的终极指纹如果暴涨理论是宇宙极早期演化的标准图景,那么原初引力波就是这一理论最独特的"指纹"。与电磁波不同,引力波可以穿透宇宙演化过程中的任何屏障,直接携带宇宙诞生后不 ... 宇宙探索06-22
-
宇宙探索·宇宙萧条——太空中最孤独的地方 宇宙探索·宇宙萧条——太空中最孤独的地方在宇宙深处,存在着一些比任何星系集群都要庞大的结构——它们不是星系,不是星云,而是巨大的虚空。天文学家称这些区域为"宇宙萧条"(Cosmic Void),它们是宇宙 ... 宇宙探索06-22
-
宇宙探索·宇宙视界问题:暴涨如何拯救因果律 宇宙探索·宇宙视界问题:暴涨如何拯救因果律当我们仰望星空时,很少会想到一个深刻的悖论:可观测宇宙的左右两端相隔超过930亿光年,但宇宙的年龄只有138亿年。根据相对论,任何信号传播速度都不能超过光速,那么宇 ... 宇宙探索06-22
-
宇宙探索·宇宙磁场起源:从暴涨涨落到星系发电机 宇宙探索·宇宙磁场起源:从暴涨涨落到星系发电机当我们观察宇宙时,磁场无处不在:从太阳的日冕到地球的磁层,从银河系的旋臂到遥远星系团的介质,磁场似乎是所有天体系统的标配。但一个困扰了科学家半个世纪的谜题 ... 宇宙探索06-22
-
宇宙探索·超新星遗迹:恒星死亡后留下的宇宙画卷 宇宙探索·超新星遗迹:恒星死亡后留下的宇宙画卷——从蟹状星云到SN 1987A的多信使探索当一颗大质量恒星耗尽核燃料,它不会安静地消失——它以超新星爆炸的方式,用相当于数十亿颗太阳的光芒,向宇宙宣告自己的死亡 ... 宇宙探索06-18
-
宇宙探索·哈勃张力:物理学天空最有趣的悬案 宇宙探索·哈勃张力:两种测量方法给出的宇宙膨胀速率相差5σ,物理学天空最有趣的悬案如果宇宙是一本正在被翻开的书,那么哈勃常数就是翻页的速度——它告诉我们宇宙膨胀得有多快。但过去十年,天文学家发现了一件 ... 宇宙探索06-18
-
宇宙探索·快速射电暴——毫秒级宇宙神秘信号 宇宙探索·快速射电暴——毫秒级宇宙神秘信号✨ 来自数十亿光年外的毫秒级射电脉冲,挑战现有物理 ✨ 核心科普:快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)是一种持续时间仅几毫秒的强烈射电脉冲,起源于银河系外的遥 ... 宇宙探索06-18
-
为了探索时间,科学家制造了一个微型宇宙,结果真的看到时间起源 我们每天跟着时钟生活,默认时间是宇宙自带的、均匀流逝的外部标尺。但在量子引力领域,这却是悬而未决的核心难题:描述宇宙整体的基础方程里,根本没有“时间”这个参数。最近,英国伯明翰大学的物理学家乔瓦尼·巴 ... 宇宙探索06-17
-
黑洞:宇宙中最神秘的时空陷阱 黑洞是宇宙中最令人着迷也最令人困惑的天体。它们就像宇宙中的隐形捕食者,用强大的引力吞噬着周围的一切,甚至连光都无法逃脱。黑洞的形成源于大质量恒星的死亡。当一颗质量超过太阳20倍以上的恒星耗尽核燃料后,其 ... 宇宙探索06-17
-
宇宙探索·星际分子云:恒星诞生工厂与宇宙生命化学的摇篮 宇宙探索·星际分子云:恒星诞生工厂与宇宙生命化学的摇篮星际分子云:宇宙中最壮观的恒星制造工厂在银河系中,最引人注目的景象并非某颗单独的恒星,而是横跨数百光年的巨型分子云(Giant Molecular Clouds, GMCs) ... 宇宙探索06-16
相关文章
- 宇宙探索·千新星:中子星合并、重元素起源与多信使天文学的黎明
- 宇宙探索·磁重联:太阳耀斑与宇宙粒子加速的隐形引擎
- 中国宇宙空间站:未来探索的新征程!🚀🌌
- 宇宙探索·重子声波振荡——宇宙声波化石,暗能量探针
- 探索宇宙的奇妙之旅🚀✨ #未来科技
- 宇宙探索·蓝色流浪星:球状星团中的恒星身份谜题
- 宇宙探索·红矮星:耀斑活动与系外行星宜居性挑战
- 脑科学:探索宇宙中最复杂的物质
- 宇宙探秘:从大爆炸到暗物质——人类对浩瀚星空的终极追问
- 央视炸裂官宣!南天门计划参数全曝光,中国空天时代呼啸而来
- 宇宙探索·活动星系核喷流——百亿光年外的宇宙超光速灯塔
- 2026最新解析:经典科幻《星际探索》—孤独宇宙中的终极自我探寻
- 2026最新解读:电影《星际探索》—宇宙孤独中的自我救赎深度解析
- 人类探索宇宙的前哨站,NASA公布雄心勃勃的月球基地新计划
- 宇宙探索·银河系以600km/s狂奔,终点在哪里?
- 宇宙探索·暗物质子结构问题—宇宙模拟为何"多了几千个卫星星系"
- 神舟二十三号载人飞船引发两岸热议 国台办:期待台湾同胞同大陆同胞一道探索浩瀚宇宙
- 国台办:期待与台湾同胞一道探索浩瀚宇宙
- 太空驻留200多天!神舟二十一号航天员创造了哪些成就
- 人类探索宇宙的意义到底在哪里
热门阅读
-
预言2030年太阳将休眠,恐怖的千年极寒将来临 07-11
-
中国十大元帅之死,多高寿而善终(林彪叛逃而死) 07-11
-
因果报应真实事例,做尽坏事必遭天谴 07-11
-
这6个神奇天体有很酷的名字 06-01
-
全球人口减少可能带来的六大教训和好处 07-18
-
离太阳最近的十大恒星排名,宇宙最大十大星球 04-12
-
创生之柱是什么?(创生之柱给予了许多恒星生命) 12-25
精选文章
- 中国51区秘密基地,窃密必被抓(抓住就杀头)
- 中国空间站离地球有多少公里有多大,400公里/大约有110立方米 ...
- 2025年宇宙探索大爆发!月全食、火星冲日等,这些天文奇观别错过
- 黑龙江50万年死火山苏醒, 内含15%电量的巨大岩浆囊
- 中国“天宫”空间站将在2022年前后建成 呈T字型有三个舱段最多可驻留6人 ...
- 中国古代四大凶兽,四大神兽vs四大凶兽谁更强
- 新冠病患康复后,可能“精子减少或无精”
- 误会一辈子!破伤风其实是一种细菌跟生锈铁完全没关系
- 中国长征五号B遥一运载火箭全貌曝光 本月底在海南文昌航天发射场进行首次发射 ...
- 美国同步空间态势感知项目(GSSAP)军事间谍卫星多次秘密靠近俄罗斯和中国的航天器 ...
