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

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  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，就能够获得融化的金属。

  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、科学和艺术领域大范围的应用。举例来说，用来制造钢铁、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。钢铁的制作的完整过程涉及使用坩埚，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，最终制得不一样的种类的钢铁。

  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，然后经过控制温度和速度，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。

  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，它们有着非常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。

  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℃）。

  顾名思义主要材料就是镍，如果加工材料是碱性的，就能够正常的使用这种坩埚，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。

  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。

  以瓷土为主要的组成原材料，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。

  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，不仅仅可以承受熔融物质的高温，还能保持其完整性和性能。

  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，坩埚的制作的过程有很多种，主要根据坩埚的材料和大小。

  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。

  通过这种砂浆浇注成型法，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，主要根据坩埚的材料和大小。坩埚的制作的步骤都需要经过研磨、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。

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