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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。等離子體會破壞溫度均勻性、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 爐系列的開發(fā)及其性能，以實現(xiàn)高達(dá)3000°C的高質(zhì)量熱處理。還將對可能的應(yīng)用進(jìn)行簡要展望。 

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——氬氣。為了說明等離子體與石墨爐之間的關(guān)系與作用，我們引入兩個參數(shù)：氬氣第一電離能和石墨材料功函數(shù)。

對于氣體，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電子從一個原子或分子的最外層移除所需要的最小能量。當(dāng)這個能量以電子伏特（eV）為單位表達(dá)時，它可以理解為電子通過一個電壓差移動所獲得或失去的能量。例如，如果一個原子的第一電離能是13.6eV，這意味著從這個原子中移除一個電子至少需要13.6eV的能量，等同于電子通過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電極通了電壓，每個獨立的加熱體表面，相對于其他加熱體表面，甚至石墨保溫材料表面都存在電勢差。電勢差越大，當(dāng)氬氣分子經(jīng)過時，獲得的能量越大。

對于氬氣而言，其第一電離能大約為15.8eV。同時爐膛內(nèi)超高的溫度，一定程度上會加速氬氣電離的可能性。這個值與雖然與溫度無關(guān)，因為它是基于原子內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)和原子核的電荷而確定的，不會因為溫度的改變而改變。溫度的變化可以影響氣體分子的動能，從而影響實際電離過程的動力學(xué)。在高溫下，氬氣分子的平均動能增加，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。這種增加的動能和碰撞頻率可能會使電離過程更容易發(fā)生，因為有更多的分子達(dá)到或超過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，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)會發(fā)生變化，會與其他物質(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：氬氣電離過程中，由于電子與原子核的重新結(jié)合，會釋放出能量，導(dǎo)致氣體溫度上升。破壞爐膛內(nèi)本身的熱場和溫度均勻性。

對于石墨材料，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)用場景和目的。較低的功函數(shù)有利于在較低的應(yīng)用電場下實現(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。在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體的使用條件來確定功函數(shù)的精確值。選擇合適的石墨材料。作為對比，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)電勢差達(dá)到或超過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，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)備采購時往往忽略了這部分隱形成本，而這部分隱形成本可能會大于設(shè)備采購的成本，比如維修配件成本，實驗中斷造成的損失等。

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。歡迎大家向我們咨詢、交流。