Do refino de ouro à pesquisa científica: uma visão geral abrangente das aplicações modernas de cadinhos cerâmicos (1)
▶▶▶▶O que é um cadinho de cerâmica
Os cadinhos cerâmicos modernos são recipientes resistentes a altas temperaturas, feitos de materiais cerâmicos de alta pureza (como quartzo, óxido de alumínio, nitreto de boro, óxido de zircônio, etc.) como material base, por meio de um processo preciso de sinterização em alta temperatura. São usados principalmente para reter, fundir e permitir reações de diversas substâncias sólidas ou líquidas.
Em essência, cadinhos cerâmicos adquirem sua robusta propriedade de suportar temperaturas extremas que variam de 1600 °C a 2700 °C por meio da otimização da estrutura reticular de materiais inorgânicos não metálicos. Contando com sua excelente inércia química e estabilidade ao choque térmico, tornaram-se componentes indispensáveis em cenários como análise de materiais em laboratório, purificação de metais preciosos na indústria metalúrgica, crescimento de silício monocristalino semicondutor e fundição de lingotes de polissilício de nova energia.
No geral, sua maior característica é a capacidade de manter morfologia e desempenho estáveis em ambientes de temperaturas extremamente altas, além de não ser facilmente deformado ou corroído.
▶▶▶▶Materiais comuns de cadinhos cerâmicos
O material é o principal fator na escolha de um cadinho, pois determina diretamente a que temperaturas o cadinho pode suportar e a quais substâncias químicas ele pode resistir à corrosão.
1.Argila Refratária Tradicional: É produzida pela queima de matérias-primas como argila e quartzo. Possui baixo custo e contém uma quantidade relativamente alta de SiO₂ (dióxido de silício), pertencente a materiais ácidos. É usada principalmente para fundir metais ou materiais ácidos, como ligas de cobre. Nunca deve ser usada para fundir metais ativos como alumínio, magnésio e titânio, pois esses metais reduzem o silício do SiO₂, o que corrói severamente o cadinho e pode até causar vazamento ou perfuração. Também é comumente usada em fundição em pequena escala e experimentos químicos.
2.Óxido de alumínio (Al₂O₃):É o tipo mais comum [de material para cadinho cerâmico], com uma faixa de resistência à temperatura geralmente acima de 1600°C, e possui alta resistência e excelente estabilidade química. É comumente utilizado em fundição de metais, sinterização de pó, análises laboratoriais, vasos de reação de alta temperatura e outras aplicações. Sua temperatura máxima de serviço e desempenho variam dependendo de sua pureza (como cerâmica de 99% de alumina, cerâmica de 95% de alumina e cerâmica de 85% de alumina).
3. Óxido de Zircônio (ZrO₂): Dentre todas as cerâmicas de óxido, apresenta a maior resistência à temperatura (com um ponto de fusão de aproximadamente 2700°C), mas sua resistência ao choque térmico é relativamente baixa. É extremamente resistente à corrosão e apresenta excelente estabilidade, especialmente contra metais fundidos (como metais preciosos como platina e paládio). É usado principalmente para fundição em alta temperatura de metais preciosos e metais ativos (por exemplo, platina, ródio, paládio, titânio) e também aplicado na sinterização de cerâmicas especiais e revestimentos de fornos de alta temperatura.
4. Quartzo (SiO₂): É um recipiente resistente a altas temperaturas, feito de areia de quartzo de alta pureza como principal matéria-prima, por meio de processos de fusão, trefilação ou rotomoldagem em alta temperatura. Geralmente translúcido, pode suportar altas temperaturas, variando de 1200°C a 1400°C, e é comumente utilizado na preparação de materiais semicondutores e vidros ópticos. Sua maior vantagem reside na alta pureza e no baixo teor de impurezas, o que garante que os materiais não sejam contaminados durante o processamento em alta temperatura. No entanto, deve-se observar que cadinhos de quartzo não são resistentes a substâncias alcalinas e são propensos à corrosão quando em contato com álcalis fortes.
5.Nitreto de Boro (BN): Possui boa condutividade térmica, propriedades autolubrificantes, baixa adesão a metais fundidos e facilidade de processamento, daí o nome "white graphite". Pode suportar altas temperaturas (aproximadamente 3000°C) em atmosfera inerte, mas oxida em altas temperaturas no ar. É um material ideal para moldes de conformação de metais, cadinhos usados para fundição de metais (especialmente alumínio, cobre e materiais semicondutores) e vasos de evaporação para revestimento de alumínio a vácuo.
6.Carbeto de Silício (SiC): Possui dureza, condutividade térmica e resistência ao choque térmico extremamente altas. Mantém alta resistência em altas temperaturas, mas não é resistente a ácidos oxidantes fortes e álcalis fortes; oxida lentamente em altas temperaturas (>1000°C) no ar. É comumente utilizado em móveis de fornos (como prateleiras e saggers), trocadores de calor de alta temperatura e tubos de alumínio para transporte de líquidos. Também pode ser usado como cadinho de alto desempenho para fundição de metais não ferrosos.
7.Óxido de Magnésio (MgO): Possui alto ponto de fusão (aproximadamente 2850°C) e é um material alcalino, sendo, portanto, particularmente resistente à corrosão por escórias fundidas alcalinas. No entanto, reage facilmente com o vapor d'água, formando hidróxido de magnésio e pulverizando-se, dificultando o armazenamento. É usado principalmente para fundir materiais ou metais alcalinos, como níquel, urânio, tório, etc.
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▶▶▶▶Formatos e tamanhos comuns de cadinhos cerâmicos
Cilíndrico: Adequado para aquecimento uniforme:
Quadrado ou retangular: comumente usado para sinterizar materiais em pó:
Tipo de tubo profundo: adequado para derreter metais para evitar respingos de líquido:
Tipo plano: usado para incineração ou evaporação:
Cadinho com tampa: evita respingos de material, reduz a perda de calor e isola o ar:
Cadinho com formato especial (irregular, etc.): serve para processos específicos, como conchas de fundição, dispositivos especiais para destilação e purificação, etc.:
Tamanhos comuns:
(1) Tamanho pequeno: várias dezenas de mililitros (como diâmetro de 20-50 mm), usado para análise de amostras de laboratório.
(2) Tamanho médio: várias centenas de mililitros (diâmetro 100-150 mm), usado para processamento de materiais em pequenos lotes.
(3) Tamanho grande: vários litros ou mesmo dezenas de litros (diâmetro acima de 200 mm), comumente visto em fundições industriais e experimentos em larga escala.