من تنقية الذهب إلى البحث العلمي: نظرة شاملة على التطبيقات الحديثة للأواني الخزفية (1)
▶▶▶▶ما هي بوتقة السيراميك
البوتقات الخزفية الحديثة هي أوعية مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مصنوعة من مواد خزفية عالية النقاء (مثل الكوارتز، وأكسيد الألومنيوم، ونتريد البورون، وأكسيد الزركونيوم، وغيرها) كمادة أساسية، من خلال عملية تلبيد دقيقة عالية الحرارة. تُستخدم هذه البوتقات بشكل رئيسي لحفظ وصهر وتفعيل تفاعلات مواد صلبة أو سائلة متنوعة.
في جوهرها، تكتسب البوتقات الخزفية ميزتها المتينة في تحمل درجات حرارة قصوى تتراوح بين 1600 و2700 درجة مئوية من خلال تحسين البنية الشبكية للمواد غير العضوية وغير المعدنية. وفي الوقت نفسه، وبفضل خمولها الكيميائي الممتاز واستقرارها في مواجهة الصدمات الحرارية، أصبحت مكونات لا غنى عنها في مجالات مثل تحليل المواد المختبرية، وتنقية المعادن الثمينة في الصناعة المعدنية، ونمو السيليكون أحادي البلورة شبه الموصل، وصب سبائك السيليكون متعدد الطاقة الجديدة.
بشكل عام، فإن ميزتها الأكبر هي قدرتها على الحفاظ على شكلها وأدائها المستقر في بيئات ذات درجات حرارة عالية للغاية، كما أنها لا تتشوه أو تتآكل بسهولة.
▶▶▶▶المواد الشائعة في بوتقات السيراميك
تعتبر المادة العامل الأساسي في اختيار البوتقة، لأنها تحدد بشكل مباشر مدى قدرة البوتقة على تحمل درجات الحرارة والمواد الكيميائية التي يمكنها مقاومة التآكل.
1.الطين الحراري التقليدي: يُصنع بحرق مواد خام مثل الطين والكوارتز. يتميز بانخفاض تكلفته واحتوائه على نسبة عالية نسبيًا من ثاني أكسيد السيليكون (ثاني أكسيد السيليكون₂)، وهو من المواد الحمضية. يُستخدم بشكل رئيسي في صهر المعادن أو المواد الحمضية، مثل سبائك النحاس. يُمنع استخدامه مطلقًا في صهر المعادن النشطة مثل الألومنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم، لأن هذه المعادن تُقلل من السيليكون الناتج عن ثاني أكسيد السيليكون، مما يُسبب تآكلًا شديدًا في البوتقة، وقد يُسبب تسربًا أو ثقبًا. كما يُستخدم بشكل شائع في تجارب الصب والتجارب الكيميائية على نطاق صغير.
2.أكسيد الألومنيوم (ال₂O₃):هذا النوع هو الأكثر شيوعًا من مواد بوتقة السيراميك، حيث تتجاوز مقاومته الحرارية عادةً 1600 درجة مئوية، ويتميز بقوة عالية وثبات كيميائي ممتاز. ويُستخدم عادةً في صهر المعادن، وتلبيد المساحيق، والتحليل المخبري، وأوعية التفاعل عالية الحرارة، وغيرها من التطبيقات. وتختلف درجة حرارة خدمته القصوى وأدائه تبعًا لنقائه (مثل سيراميك الألومينا بنسبة 99%، وسيراميك الألومينا بنسبة 95%، وسيراميك الألومينا بنسبة 85%).
٣. أكسيد الزركونيوم (أكسيد الزركونيوم₂): يتميز هذا النوع من السيراميك بأعلى مقاومة للحرارة (درجة انصهاره حوالي ٢٧٠٠ درجة مئوية)، إلا أن مقاومته للصدمات الحرارية ضعيفة نسبيًا. يتميز بمقاومة عالية للتآكل، وثبات ممتاز، خاصةً عند تعرضه للمعادن المنصهرة (مثل البلاتين والبلاديوم). يُستخدم بشكل رئيسي في صهر المعادن النفيسة والمعادن النشطة (مثل البلاتين والروديوم والبلاديوم والتيتانيوم) عند درجات حرارة عالية، كما يُستخدم في تلبيد أنواع خاصة من السيراميك وبطانات الأفران عالية الحرارة.
٤. الكوارتز (ثاني أكسيد السيليكون₂): وعاء مقاوم لدرجات الحرارة العالية، مصنوع من رمل الكوارتز عالي النقاء كمادة خام رئيسية، وذلك من خلال عمليات الصهر أو السحب أو التشكيل الدوراني عالية الحرارة. يتميز هذا الوعاء بشفافيته العالية، مما يجعله يتحمل درجات حرارة تتراوح بين ١٢٠٠ و١٤٠٠ درجة مئوية، ويُستخدم عادةً في تحضير مواد أشباه الموصلات والزجاج البصري. تكمن أهم مزاياه في نقائه العالي وانخفاض نسبة الشوائب فيه، مما يضمن عدم تلوث المواد أثناء المعالجة عالية الحرارة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن بوتقات الكوارتز ليست مقاومة للمواد القلوية، وهي عرضة للتآكل عند ملامستها للقلويات القوية.
5.نتريد البورون (ب ن): يتميز بموصلية حرارية جيدة، وخصائص تزييت ذاتي، وقلة التصاقه بالمعادن المنصهرة، وسهولة معالجته، ومن هنا جاء اسمه "جرافيت أبيض دي دي اتش". يتحمل درجات حرارة عالية (حوالي 3000 درجة مئوية) في جو خامل، ولكنه يتأكسد عند درجات حرارة عالية في الهواء. وهو مادة مثالية لقوالب تشكيل المعادن، والبوتقات المستخدمة لصهر المعادن (خاصةً الألومنيوم والنحاس وأشباه الموصلات)، وقوارب التبخير لطلاء الألومنيوم بالتفريغ.
6.كربيد السيليكون (كربيد السيليكون): يتميز بصلابة عالية جدًا، وموصلية حرارية، ومقاومة عالية للصدمات الحرارية. يحافظ على قوته العالية في درجات الحرارة العالية، ولكنه لا يقاوم الأحماض المؤكسدة القوية والقلويات القوية؛ ويتأكسد ببطء في درجات حرارة عالية (حتى ١٠٠٠ درجة مئوية) في الهواء. يُستخدم عادةً في أثاث الأفران (مثل الأرفف والرفوف)، والمبادلات الحرارية عالية الحرارة، وأنابيب نقل سوائل الألومنيوم. كما يُمكن استخدامه كبوتقة عالية الأداء لصهر المعادن غير الحديدية.
7.أكسيد المغنيسيوم (أكسيد الماغنيسيوم): يتميز بدرجة انصهار عالية (حوالي ٢٨٥٠ درجة مئوية)، وهو مادة قلوية، لذا فهو مقاوم للتآكل الناتج عن الخبث المنصهر القلوي. ومع ذلك، يتفاعل بسهولة مع بخار الماء مُكوّنًا هيدروكسيد المغنيسيوم، ويتفتت، مما يُصعّب تخزينه. يُستخدم بشكل رئيسي لصهر المواد أو المعادن القلوية، مثل النيكل واليورانيوم والثوريوم، وغيرها.
``````
▶▶▶▶الأشكال والأحجام الشائعة للأواني الخزفية
أسطواني: مناسب للتسخين الموحد:
مربع أو مستطيل: يستخدم عادة لتلبيد مواد المسحوق:
نوع الأنبوب العميق: مناسب لصهر المعادن لمنع تناثر السوائل:
النوع المسطح: يستخدم للرماد أو التبخير:
وعاء مغطى: يمنع تناثر المواد، ويقلل من فقدان الحرارة، ويعزل الهواء:
بوتقة ذات شكل خاص (غير منتظم، وما إلى ذلك): تخدم عمليات محددة، مثل مغارف الصب، وأجهزة خاصة للتقطير والتنقية، وما إلى ذلك:
الأحجام الشائعة:
(1) الحجم الصغير: عدة عشرات من الملليلترات (مثل القطر 20-50 مم)، يستخدم لتحليل العينات المعملية.
(2) الحجم المتوسط: عدة مئات من الملليلترات (القطر 100-150 مم)، يستخدم لمعالجة المواد على دفعات صغيرة.
(3) الحجم الكبير: عدة لترات أو حتى عشرات اللترات (قطر يزيد عن 200 مم)، وهو شائع الاستخدام في الصهر الصناعي والتجارب واسعة النطاق.