عناصر تسخين مختلفة لاستخدامات درجات الحرارة العالية

تشكل عناصر التسخين جزءًا لا يتجزأ من معدات درجات الحرارة العالية وتستخدم على نطاق واسع في معالجة المواد وتصنيع أجهزة أشباه الموصلات والمعادن ومختبرات الأبحاث ومختلف الصناعات عالية التقنية. تستخدم المفاعلات المعاصرة ذات درجات الحرارة العالية عددًا من مواد التسخين المتنوعة، كل منها مصمم للعمل تحت ظروف حرارية أو كيميائية أو ميكانيكية محددة.

عناصر التسخين المعدنية

عناصر تسخين التنغستن - لا مثيل لها في نطاقات درجات الحرارة العالية للغاية

يعمل التنغستن (W) كعناصر تسخين بشكل جيد في أعلى درجة حرارة تشغيل ممكنة. تبلغ درجة انصهاره 3,422 درجة مئوية. وتفيد عناصر التسخين هذه في أفران التفريغ، وماكينات التلبيد، وماكينات نمو بلورات الياقوت، ومحطات التبخير عالية الحرارة. وتعمل بشكل أفضل تحت التفريغ أو في جو خامل. وتتميز بضغط بخار منخفض، وموصلية حرارية عالية، وثبات في درجات حرارة أعلى.

ومع ذلك، فإنه يتأكسد بسهولة عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية في الهواء. ونتيجة لذلك، يتم استخدامه عادةً عند ضغط منخفض وفي جو خامل. وتصنع عناصر التسخين عادةً على شكل قضبان وأسلاك وسخانات شبكية.

عناصر تسخين الموليبدينوم - أداء فائق في بيئات التفريغ والاختزال

الموليبدينوم (Mo) هو سخان معدني آخر يستخدم على نطاق واسع نظرًا لخصائصه الجيدة في درجات الحرارة العالية ومرونته القوية في درجات الحرارة المرتفعة. يذوب عند 2,623 درجة مئوية. وعلى الرغم من أن الموليبدينوم ليس نبيلًا مثل التنجستن، إلا أنه يمكن تشكيله بسهولة أكبر وأقل تكلفة نسبيًا. عناصر تسخين الموليبدينوم شائعة في أفران التسخين بالتفريغ. تم في البداية سحب الكريستال والتعدين بالتفريغ باستخدام الموليبدينوم.

ومثل التنغستن، الموليبدينوم هو أيضًا معدن تفاعلي للهواء يتطلب حماية الغلاف الجوي الخامل. وتتمتع سبائك الموليبدينوم-لا وسبائك الموليبدينوم-Zr بليونة أفضل وتزيد من عمر السخانات.

عناصر تسخين التنتالوم - مقاومة التآكل المتميزة

تتميز عناصر تسخين التنتالوم بالعديد من الخصائص المرغوبة. وتجدر الإشارة إلى أنها تتميز بدرجة حرارة انصهار عالية للغاية تبلغ 3,017 درجة مئوية. كما أنه يتميز أيضًا بمقاومة عالية للتآكل ويعمل كمعدن خامل، في المقام الأول ضد الأحماض. بالإضافة إلى ذلك، يتأكسد ويشكل طبقة أكسيد غير واقية عند تعرضه للهواء في درجات حرارة عالية. وهو مفيد للمعالجة عالية النقاء، والتي تشمل نمو بلورات أشباه الموصلات.

وهو أكثر تكلفة مقارنةً بالتنغستن أو الموليبدينوم وبالتالي لا يتطلب النظر فيه إلا في حالة وجود مشاكل في النقاء أو مقاومة التآكل.

عناصر التسخين القائمة على السيراميك

عناصر تسخين كربيد السيليكون (SiC) - مقاومة للهواء حتى 1,600 درجة مئوية تقريبًا

تُصنف مكونات كربيد السيليكون من بين أكثر سخانات السيراميك مرونة. تعمل عناصر التسخين هذه بفعالية في الهواء دون الحاجة إلى تفريغ الهواء أو جو خامل. تتميز مكونات كربيد السيليكون بمقاومة جيدة للأكسدة ومقاومة الصدمات الحرارية وعمر خدمة مستقر. ولهذه المكونات تطبيقات مختلفة، بدءًا من أفران التسخين المختبرية وأفران المعالجة الحرارية إلى معالجة الزجاج وتلدين المعادن.

تزداد مقاومتها الكهربائية مع الاستخدام، وتتعرض للتلف نتيجة للأكسدة. ومع ذلك، فإنها لا تزال من بين أكثر المواد فعالية من حيث التكلفة للتشغيل في درجات الحرارة المتوسطة والعالية.

عناصر التسخين بمقاومة الموليبدينوم ثنائي السيليسيد (MoSi₂)

تعمل عناصر التسخين من MoSi₂ على توسيع درجة حرارة التشغيل القصوى بما يتجاوز درجة حرارة عناصر التسخين المصنوعة من SiC لأنه يمكن تشغيلها بنجاح في الهواء حتى 1800 درجة مئوية. كما أنها تطور طبقة واقية من السيليكا، SiO₂، على السطح، وبالتالي تمنع حدوث أي أكسدة أخرى.

تُعد مكونات MoSi₂ أكثر هشاشة نسبيًا مقارنةً بالسخانات المعدنية ولكنها توفر ثباتًا حراريًا عاليًا وعمرًا افتراضيًا حتى في الهواء.

عناصر التسخين القائمة على الكربون

عناصر تسخين الجرافيت - الموصلية والاستقرار في درجات حرارة عالية جدًا

مكونات الجرافيت قادرة على العمل في درجات حرارة أعلى من 2,000 درجة مئوية في محيط خامل وتصل إلى 3,000 درجة مئوية في الفراغ. تضمن الموصلية الحرارية العالية للجرافيت كفاءة التسخين. ويجد عددًا كبيرًا من التطبيقات كمصدر تسخين فعال في درجات حرارة عالية جدًا في عمليات التعدين المختلفة والإبيتاكس.

لا يمكن تسخين الجرافيت في الهواء في درجات حرارة عالية لأنه سيتحد مع الأكسجين. ونتيجة لذلك، يكون التفريغ أو الأجواء الخاملة ضرورية في تصميمات أفران الجرافيت. تُباع عناصر تسخين الجرافيت كقضبان وألواح وأنابيب وغيرها.

جدول المقارنة وكيفية الاختيار

جميع البيانات المعروضة أعلاه هي للإشارة فقط وقد تختلف حسب المواد وظروف المعالجة ومتطلبات التطبيق المحددة. قراءة ذات صلة: عناصر التسخين: ديسيلبيد الموليبدينوم مقابل كربيد السيليكون

• توفر المواد المعدنية ذات نقاط الانصهار العالية، بما في ذلك المعادن مثل التنجستن والموليبدينوم والتنتالوم، أداءً فائقًا في ظل التفريغ والأجواء الخاملة وتتيح المعالجة في درجات حرارة عالية مع مواد شبه موصلة نقية للغاية.
• وقد تم استخدام كربيد السيليكون وثنائي سيليكيد الموليبدينوم بنجاح كسخانات خزفية يمكن أن تعمل بفعالية مع الهواء كوسيط.
• أما سخانات الكربون، وخاصة الجرافيت، فليس لها مثيل من حيث الاتساق والثبات لبعض العمليات ذات درجات الحرارة الأعلى التي تتم في أجواء محكومة.

كل نوع من عناصر التسخين، وعناصر التسخين المعدنية، وعناصر التسخين الخزفية، وعناصر التسخين القائمة على الكربون، لها مجموعة من المزايا الخاصة بها والمناسبة لظروف التسخين المختلفة. يُرجى زيارة Stanford Advanced Materials (SAM) للاطلاع على أنواع مختلفة من عناصر التسخين. تتوفر عناصر تسخين على شكل حرف U وشكل حرف W وشكل حرف H، بالإضافة إلى التخصيص.