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碳或碳基材料的熱處理需要最高溫度。配有石墨保溫材料和石墨加熱元件的冷壁真空爐是在氬氣環(huán)境中達(dá)到3000°C的首選設(shè)備。高品質(zhì)的熱處理，要求從石墨加熱元件到樣品的熱傳導(dǎo)均勻、溫度穩(wěn)定以及能耗盡可能低，這些要求在當(dāng)今變得越來(lái)越重要。

由于氬原子的電離不可避免，因此有形成等離子體的風(fēng)險(xiǎn)。等離子體會(huì)破壞溫度均勻性、溫度穩(wěn)定性和加熱能效，甚至?xí)茐慕^緣材料和加熱元件。

本節(jié)將介紹最新 LHTG 爐系列的開(kāi)發(fā)及其性能，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000°C的高質(zhì)量熱處理。還將對(duì)可能的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要展望。 

原理：氬氣電離與石墨的功能函數(shù)

在高溫石墨爐加熱過(guò)程中，爐膛內(nèi)一般只有兩種物質(zhì)：一種是石墨材料，比如加熱元件和保溫材料；另一種即保護(hù)氣氛——?dú)鍤?。為了說(shuō)明等離子體與石墨爐之間的關(guān)系與作用，我們引入兩個(gè)參數(shù)：氬氣第一電離能和石墨材料功函數(shù)。

對(duì)于氣體，我們需要關(guān)心其第一電離能量（First ionization energy），單位是eV。第一電離能量是指將一個(gè)電子從一個(gè)原子或分子的最外層移除所需要的最小能量。當(dāng)這個(gè)能量以電子伏特（eV）為單位表達(dá)時(shí)，它可以理解為電子通過(guò)一個(gè)電壓差移動(dòng)所獲得或失去的能量。例如，如果一個(gè)原子的第一電離能是13.6eV，這意味著從這個(gè)原子中移除一個(gè)電子至少需要13.6eV的能量，等同于電子通過(guò)13.6V電位差所獲得的能量。

眾所周知，在電加熱石墨爐中，石墨加熱元件的若干個(gè)電極通了電壓，每個(gè)獨(dú)立的加熱體表面，相對(duì)于其他加熱體表面，甚至石墨保溫材料表面都存在電勢(shì)差。電勢(shì)差越大，當(dāng)氬氣分子經(jīng)過(guò)時(shí)，獲得的能量越大。

對(duì)于氬氣而言，其第一電離能大約為15.8eV。同時(shí)爐膛內(nèi)超高的溫度，一定程度上會(huì)加速氬氣電離的可能性。這個(gè)值與雖然與溫度無(wú)關(guān)，因?yàn)樗腔谠觾?nèi)部的電子結(jié)構(gòu)和原子核的電荷而確定的，不會(huì)因?yàn)闇囟鹊母淖兌淖?。溫度的變化可以影響氣體分子的動(dòng)能，從而影響實(shí)際電離過(guò)程的動(dòng)力學(xué)。在高溫下，氬氣分子的平均動(dòng)能增加，這意味著分子之間以及分子與電子的碰撞更加頻繁和強(qiáng)烈。這種增加的動(dòng)能和碰撞頻率可能會(huì)使電離過(guò)程更容易發(fā)生，因?yàn)橛懈嗟姆肿舆_(dá)到或超過(guò)了電離所需的能量閾值。但這并不意味著第一電離能本身發(fā)生了改變，而是電離發(fā)生的條件或效率受到溫度影響。氬氣電離后，其主要影響表現(xiàn)在：

1.導(dǎo)電性增強(qiáng)：在正常條件下，氬氣是一種絕緣體，幾乎不導(dǎo)電。但當(dāng)氬氣電離后，會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子e-和帶正電的離子Ar+，這些帶電粒子可以自由移動(dòng)，從而使氬氣具有了導(dǎo)電性。從而影響其他的氬氣分子，更容易被電離。

2.化學(xué)性質(zhì)變化：雖然氬是一種惰性氣體，在常態(tài)下化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在電離狀態(tài)下，由于產(chǎn)生了自由電子e-和離子Ar+，其化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如：破壞石墨原有的性能，影響加熱速度。電阻值變化，加熱能耗增加。

3.溫度上升：氬氣電離過(guò)程中，由于電子與原子核的重新結(jié)合，會(huì)釋放出能量，導(dǎo)致氣體溫度上升。破壞爐膛內(nèi)本身的熱場(chǎng)和溫度均勻性。

對(duì)于石墨材料，我們比較關(guān)心功函數(shù)（work function），單位是eV。石墨材料的功函數(shù)為4.0-5.0 eV之間，具體值取決于石墨的晶體結(jié)構(gòu)、表面處理、測(cè)量條件等因素。功函數(shù)是否“越高越好”或“越低越好”取決于具體應(yīng)用場(chǎng)景和目的。較低的功函數(shù)有利于在較低的應(yīng)用電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)電子的有效發(fā)射，而較高的功函數(shù)意味著電子更難從材料表面逃逸，這可能有助于減少材料的氧化和腐蝕。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的使用條件來(lái)確定功函數(shù)的精確值。選擇合適的石墨材料。作為對(duì)比，這里再列出其他兩種冷壁真空爐常用材料的功函數(shù)值，鉬：4.2eV；鎢：4.54eV。

以上都是材料或物質(zhì)本身的物理特性，我們只能利用技術(shù)手段，避免或減少氬氣被電離所造成的影響；以及選擇合適的石墨材料，避免表面電子出現(xiàn)逃逸。諸如：避免爐膛內(nèi)電勢(shì)差達(dá)到或超過(guò)氬氣的第一電離能量，即15.8eV；選擇合適的石墨材料，確保石墨材料表面性能穩(wěn)定，即具有較低的二次電子發(fā)射系數(shù)的特殊石墨和較高的功函數(shù)石墨材料。

LHTG高溫石墨爐

卡博萊特蓋羅高溫石墨爐，在研發(fā)領(lǐng)域有著極大的優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)上最大限度減少氬氣在高溫下的電離造成的影響，從而保護(hù)了石墨加熱元件和保溫材料。包括但不限于市場(chǎng)上能耗最低的3000°C系列石墨爐，即使在最高溫度下也能進(jìn)行穩(wěn)定的熱能性表現(xiàn)。減緩加熱元件和保溫材料的損耗，降低了預(yù)期成本，如停機(jī)維護(hù)。設(shè)備采購(gòu)時(shí)往往忽略了這部分隱形成本，而這部分隱形成本可能會(huì)大于設(shè)備采購(gòu)的成本，比如維修配件成本，實(shí)驗(yàn)中斷造成的損失等。

當(dāng)今石墨化在電池，碳纖維，碳/碳復(fù)合材料領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。除此之外，石墨爐還經(jīng)常被用于碳化硅燒結(jié)、碳化鎢燒結(jié)、碳納米管熱處理以及陶瓷基復(fù)合材料熱處理。關(guān)于這類的應(yīng)用，卡博萊特蓋羅積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。歡迎大家向我們咨詢、交流。