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从古至今,人类和火焰打交道的漫长历史中,有个器皿一直默默扮演着非常关键的角色。金属熔炼,材料提纯,化学反应的进行,甚至是古老的炼丹术,均离不开这个器皿的辅助,那就是坩埚。
无论是古代还是现代,坩埚都是冶炼工业中举足轻重的物件。可能会有很多人好奇,“坩埚”究竟是什么材料做的,为什么可以容纳上千度的钢水而不被融化呢?
坩埚的用途非常广泛,它可以用来熔炼金属,也可以当作材料提纯和烧纸的器皿。坩埚通常由耐火,耐腐蚀和磨损材料制成,根据用途和温度要求,材质也有所不同。
金属冶炼中,主要使用的是石墨坩埚,它通常由石墨,耐火黏土和烧结黏土等材质制成。石墨是一种灰黑色,具有金属光泽的结晶碳素,莫氏硬度为1,熔点在3500℃左右,具有很好的耐高温性和耐腐蚀性。
用来作坩埚原料的石墨,其化学成分主要有75—90%的碳,7—20%的灰分以及3—5%的挥发成分。其中固定碳成分至少要占到75%,这样才有更好的耐火性。灰分必须在25%以下,否则制作的坩埚质量会很差,难以使用。
耐火黏土主要是氧化矽,氧化铝和矿合水组成的化合物,因其产地不同,具体成分构成往往差别很大。
用于制作坩埚的耐火黏土一般有两个要求:
· 耐火性要强,必须能够承受1700℃以上的高温,因为大部分常用金属的熔点不会超过这一温度。
· 要具有很强的可塑性,因为石墨结构松散,可塑性差,必须依靠黏土才能结合成形。
烧结黏土是在高温下烧制形成的耐火黏土和高岭土,配合耐火黏土可以增加坩埚的结构强度,降低坩埚的收缩性,使其不易开裂,增强其耐腐蚀性。
除了石墨坩埚外,按照其材质和用途,还有石英坩埚,陶瓷坩埚,金属坩埚等多种类型。
石英坩埚由高纯度石英砂通过模具,辅以电弧法高温制成,外表半透明,生产单晶硅流程中可以盛放溶化的硅液,一般在1450℃以下使用,是制作单晶硅,集成电路生产不可或缺的重要工具。
陶瓷坩埚由黏土加入氧化铝,硼酸铝和硅砂等原料,配以黏土窑烧制成,具有一定的耐热性和化学稳定性,耐热温度一般在1200℃左右,主要用于中等温度的化学实验。
陶瓷坩埚可用于进行化学反应,如燃烧,加热溶液,固相反应等。陶瓷具备的化学稳定性可以确保在反应过程中,样品原料不会和坩埚本身发生溶解和反应。
某些需要对样品进行高温燃烧,分析成分和含量的实验中,陶瓷坩埚也可以在高温下稳定容纳反应样品,确保反应过程顺利进行。
金属坩埚由钨,镍和铂等具有耐热性和化学稳定性的金属材质制成,通常也用来进行各种化学反应实验。
比如,金属铂具有很好化学惰性和耐热性,性质不活泼,和大多数物质不反应,可以用来盛放腐蚀性液体进行反应实验,在成分定性和定量实验中比陶瓷坩埚具有更好的恒重性。
坩埚使用的历史非常悠久,公元2000年前的古巴比伦人,就已经学会了利用石墨和石英制作坩埚冶炼金属。我国的殷墟,二里岗等先秦遗址中也曾出土过少量坩埚以及其残片。
古籍中最早和坩埚有关的记载见于各种炼丹术的文献。道家外丹词语中坩埚有多个名称,有时作“甘锅”,有时是“甘锅子”,“甘埚子”或“窝子”。“锅”和“埚”同音假借,时而又和“窝”假借。
东汉末年炼丹家狐罡子所著的《山金矿图录》记载:“用甘土作锅,火熏使干”,表明炼金所用的“锅”是由“甘土”所制,其又名“坩土”,“甘子土”,这是一种高铝制耐火黏土,是北方常用的制瓷原料,而“坩埚”一次中的“坩”字就由此而来。
长期以来,坩埚一直被用作冶炼金银的器皿。宋韵书《集韵》和《类篇》中有记载,“甘埚,液金器”。明宋应星《天工开物》中记载了使用坩埚对矾硝盐,硫和硼砂分离金银的方法。李时珍《本草纲目》中也有记载:“甘锅,销金银锅”。
明清时期,坩埚又常称作“罐”,“土罐”和“砂罐”,用于冶炼铜,锌和铅。《天工开物》中还记载了用坩埚制备黄铜的两种办法,一是炉甘石(ZnCO3)和红铜反应炼制,二是用锌直接和红铜反应生成合金。有的坩埚呈筒状,也被称为“筒”,主要用来炼制生铁。
综合各种古籍来看,东汉炼丹家最早使用坩埚,宋代后坩埚主要用来炼制金银,明清时又用于炼制铜锌铅金属。记载中的坩埚大部分都是外加热型,即将坩埚置于炉中,以木炭或煤进行加热,坩埚材质多为耐火黏土制作。
坩埚,这一古老而神秘的器皿,承载着人类对于金属与火焰的无尽探索。从古至今,坩埚在冶炼、化学实验和炼丹术等领域发挥着举足轻重的作用。
无论是石墨、陶瓷还是金属制成的坩埚,都以其耐热、耐腐蚀的特性,为人类的创造和发展贡献着无可替代的力量。
悠久的岁月里,坩埚见证了人们的汗水与智慧,见证了人类对于材料与火的驯化过程,也见证了文明的发展与科技的进步。
未来,随着科技的不断进步,坩埚的材料工艺也将不断创新,为更多领域的发展提供支持和保障。
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