歷史上最早的坩堝是用粘土制成的，但現在只要這種材料能經受足夠高的溫度，那它就有可能成為一個合格的坩堝，像石英、石墨和剛玉等都是常見的坩堝材料。其中，石墨坩堝是作為多種類少數量的合金熔解最適合使用的坩堝，由于其具有良好的高溫性能和很長的使用壽命，而被應用于大型的合金冶煉鑄造工藝及礦石的熔解分析中。

金在石墨坩堝中熔化

但由于石墨坩堝在使用時基本都處于高溫條件下，而且周圍存在很多空氣，因為很容易被氧化。而且在冶煉鑄造、熔融工藝中，石墨坩堝會被嚴重腐蝕，降低其使用壽命。為了提高石墨坩堝的使用壽命，科學家想出了往石墨坩堝中添加耐腐蝕材料的方法。

在可供考慮的材料中，碳化硅由于具有穩定的化學性及強耐腐蝕性，且在高溫下的氧化產物是SiO₂，能夠降低陶瓷坩堝的氣孔率、提高致密性等，因此被認為是最匹配石墨坩堝的好幫手，能有效提高它的使用壽命。

但是添加材料也要講究科學，不能瞎搞，要合理的搭配才能最大限度發揮兩者的優勢，一般來說：

①隨著碳化硅含量增加，石墨坩堝的密度增大，氣孔率變小。

這主要是因為碳化硅的密度是3.2 g/cm³，石墨的密度是2.62 g/cm³，所以隨著碳化硅含量的增大，石墨坩堝的總體積就能減小，體積密度逐漸增大，氣孔率依次減小。

表 不同碳化硅含量下，石墨坩堝試樣的體積密度與氣孔率

②隨著碳化硅含量增加，石墨坩堝失重率逐漸減小；氧化溫度越高，石墨坩堝氧化得越快；氧化時間越長，石墨坩堝的失重率越大，降低其抗氧化性。

這是因為一方面SiC具有很好的抗氧化性，首先SiC與CO反應生成SiO氣體和固體碳，碳沉積在SiC表面上，然后SiO氣體向周圍擴散與CO反應生成SiO2和C，這些反應使CO還原成C，并且體積膨脹，膨脹的體積將阻塞石墨坩堝中的氣孔，使得氧氣無法進入坩堝內部，從而減小其失重率，提高抗氧化性；另一方面坩堝中石墨是鱗片狀，與氧氣的接觸面積很大，其氧化速度很快，因此隨著石墨含量的降低，也會促進石墨坩堝抗氧化性能。

不同溫度下的失重率

③碳化硅含量越高，石墨坩堝就越致密；而燒成溫度的增加在一定范圍內也增強石墨坩堝的致密性。

這主要是因為SiC在高溫下被氧化時，會形成了玻璃相的SiO₂，該相發生流動填充了石墨坩堝中的氣孔，隨著SiC含量的增加，液相形成的程度也將增大。因此碳化硅含量越高，石墨坩堝的致密性也就越高。

上圖是坩堝在1100℃和1200℃燒成條件下的顯微結構照片，可看出不同燒成溫度的試樣致密性也不相同，1200℃要比1100℃燒成的試樣致密性好很多。因為在1200℃高溫下材料已經熔融，因此接觸面上出現更多的液相熔合，形成連續的燒結網絡，通過網絡使制備坩堝的所有材料聯成一個整體，從而提高其致密性。

近年來，基于鑄造的工業活動正迅速發展，如礦山、鐵路、航空、國防等，因此對坩堝的需求也是日益增加。在添加了碳化硅這個小幫手后，石墨坩堝具有了高熱傳導性、耐熱沖擊性、高耐熱性、抗浸蝕性、抗機械性沖擊、抗氧化性、抗粘連性等優勢，主要被用作熔煉鋁和鋁合金、銅和銅基合金、鎳和鎳合金、貴金屬、鋅和氧化鋅等有色金屬的容器。目前石墨-碳化硅坩堝已逐漸代替黏土坩堝，在市場上的需求量已占整體的97%左右，相信在之后也還能有很大的發展空間。

資料來源：

石墨坩堝性能的影響因素分析，孟梅，張穎，張軍戰，王浩。

粉體圈 小榆