Различные нагревательные элементы для использования при высоких температурах

Нагревательные элементы являются неотъемлемой частью высокотемпературного оборудования и широко используются в обработке материалов, производстве полупроводниковых приборов, металлургии, исследовательских лабораториях и различных высокотехнологичных отраслях промышленности. В современных высокотемпературных реакторах используется множество различных нагревательных материалов, каждый из которых предназначен для работы в определенных тепловых, химических или механических условиях.

Металлические нагревательные элементы

Вольфрамовые нагревательные элементы - непревзойденные в экстремально высоких температурных диапазонах

Вольфрам (W) в качестве нагревательных элементов хорошо работает при самых высоких рабочих температурах. Его температура плавления составляет 3 422°C. Эти нагревательные элементы полезны в вакуумных печах, машинах для спекания, машинах для выращивания кристаллов сапфира и высокотемпературных испарительных установках. Лучше всего они работают в вакууме или инертной атмосфере. Он обладает низким давлением пара, высокой теплопроводностью и стабильностью при высоких температурах.

Однако он легко окисляется при температуре выше 500°C на воздухе. Поэтому его обычно используют при низком давлении и в инертной атмосфере. Нагревательные элементы обычно изготавливаются в виде стержней, проволоки и сетчатых нагревателей.

Молибденовые нагревательные элементы - превосходные характеристики в вакууме и понижающих средах

Молибден (Mo) - еще один широко используемый металлический нагревательный элемент благодаря своим хорошим высокотемпературным свойствам и высокой устойчивости при повышенных температурах. Он плавится при температуре 2 623°C. Хотя молибден не так благороден, как вольфрам, он легче поддается механической обработке и относительно менее дорог. Молибденовые нагревательные элементы широко распространены в вакуумных нагревательных печах. Вытягивание кристаллов и вакуумная металлизация первоначально проводились с использованием молибдена.

Как и вольфрам, молибден также является реактивным на воздух металлом, требующим защиты в инертной атмосфере. Сплавы молибден-La и молибден-Zr обладают лучшей пластичностью и увеличивают срок службы нагревателей.

Танталовые нагревательные элементы - выдающаяся коррозионная стойкость

Танталовые нагревательные элементы обладают рядом полезных свойств. Следует отметить, что он имеет чрезвычайно высокую температуру плавления - 3 017°C. Кроме того, он обладает высокой коррозионной стойкостью и выступает в качестве инертного металла, в первую очередь по отношению к кислотам. Кроме того, он окисляется и образует незащищенный оксидный слой при контакте с воздухом при высоких температурах. Он полезен для высокочистой обработки, в том числе для выращивания полупроводниковых кристаллов.

По сравнению с вольфрамом или молибденом он стоит дороже, поэтому его стоит рассматривать только при наличии проблем с чистотой или коррозионной стойкостью.

Нагревательные элементы на основе керамики

Нагревательные элементы из карбида кремния (SiC) - устойчивость к воздействию воздуха при температуре около 1 600°C

Компоненты из карбида кремния относятся к наиболее гибким керамическим нагревателям. Эти нагревательные элементы эффективно работают на воздухе, не требуя вакуума или инертной атмосферы. Компоненты из карбида кремния обладают хорошей устойчивостью к окислению, термоударам и стабильным сроком службы. Эти компоненты находят широкое применение, начиная от лабораторных нагревательных печей и печей для термообработки и заканчивая обработкой стекла и отжигом металлов.

Их электрическое сопротивление увеличивается по мере использования, и они подвергаются разрушению в результате окисления. Тем не менее, они по-прежнему остаются одними из самых экономичных материалов для работы при средних и высоких температурах.

Дисилицид молибдена (MoSi₂) резистивные нагревательные элементы

Нагревательные элементы MoSi₂ позволяют расширить максимальную рабочую температуру по сравнению с нагревательными элементами SiC, поскольку они могут успешно работать в воздухе при температуре до 1 800°C. На их поверхности образуется защитный слой диоксида кремния SiO₂, что предотвращает дальнейшее окисление.

Компоненты MoSi₂ относительно более хрупкие по сравнению с металлическими нагревателями, но обеспечивают высокую термическую стабильность и срок службы даже на воздухе.

Нагревательные элементы на основе углерода

Графитовые нагревательные элементы - проводимость и стабильность при очень высоких температурах

Графитовые компоненты способны работать при температурах выше 2 000°C в инертной среде и достигать 3 000°C в вакууме. Высокая теплопроводность графита обеспечивает эффективный нагрев. Он находит широкое применение в качестве эффективного источника нагрева при очень высоких температурах в различных процессах металлургии и эпитаксии.

Графит нельзя нагревать на воздухе при высоких температурах, поскольку он соединяется с кислородом. Поэтому в конструкциях графитовых печей необходимо использовать вакуум или инертную атмосферу. Графитовые нагревательные элементы продаются в виде стержней, пластин, трубок и т. д.

Сравнительная таблица и как выбрать

Все приведенные выше данные носят справочный характер и могут отличаться в зависимости от материалов, условий обработки и конкретных требований к применению. Похожие статьи: Нагревательные элементы: Дисилицид молибдена и карбид кремния

• Металлические материалы с высокой температурой плавления, включая такие металлы, как вольфрам, молибден и тантал, обеспечивают превосходные характеристики в вакууме и инертной атмосфере и позволяют проводить высокотемпературную обработку особо чистых полупроводниковых материалов.
• Карбид кремния и дисилицид молибдена успешно используются в качестве керамических нагревателей, которые могут эффективно работать с воздухом в качестве среды.
• Углеродные нагреватели, особенно графитовые, не имеют себе равных по однородности и стабильности для некоторых самых высокотемпературных процессов, проводимых в контролируемой атмосфере.

Каждый тип нагревательных элементов - металлические, керамические и углеродные - имеет свой набор преимуществ, подходящих для различных условий нагрева. Посетите сайт Stanford Advanced Materials (SAM), чтобы ознакомиться с различными типами нагревательных элементов. Возможны варианты U-образной, W-образной и H-образной формы, а также изготовление на заказ.