[科普中国]-石墨发热体

石墨发热体（graphite heater）是指用石墨材料制成的电炉加热发热体部件。石墨具有优良的导电、导热性能，在特种工业炉为电炉中常用石墨作为发热体。工业电炉中早期选用石墨电极做发热体，后选用密度高的高功率电极作发热体。半导体工业发展，提炼单晶硅、单晶锗，砷化镓、磷话铟等材料的加热炉选择高纯细结构石墨和各向同性石墨作发热体。一些特殊的工业路和试验炉用炭布或石墨布作发热体。

简介石墨发热体（graphite heater）是指用石墨材料制成的电炉加热发热体部件。石墨具有优良的导电、导热性能，在特种工业炉为电炉中常用石墨作为发热体。工业电炉中早期选用石墨电极做发热体，后选用密度高的高功率电极作发热体。半导体工业发展，提炼单晶硅、单晶锗，砷化镓、磷话铟等材料的加热炉选择高纯细结构石墨和各向同性石墨作发热体。一些特殊的工业路和试验炉用炭布或石墨布作发热体1。

采用石墨作为发热体的原因高温炉常用发热体材料有金属钼、钨、钽；非金属二硅化钼棒、硅碳棒、氧化错和石墨等。钼、钨、担可用于高温真空炉或保护气体高温炉中作发热体，钼是高熔点稀有金属，性质很脆。钨属于难熔稀有金属，硬度大，加工困难，价格很贵。二硅化钼棒最高使用温度1700℃，氧化锆为1800℃，二者均在空气中使用。氮化硅、氮化硼在高温下压力烧结，某些高温耐热材料在压力气氛中烧结，宜采用石墨作为发热体。

发热体应有合理的结构，有适宜的高度才能产生足够的高温区长度, 以满足烧成制品的需要。

发热体电阻的确定是很重要的。它影响发热体的厚薄，发热体每相导带的多少，加工的难易，配用变压器的额定容量、额定电压、额定电流和控制调节范围等。在适宜的电阻值时，可得到较理想的发热体，并节约投资。

合理选择发热体的表面功率。发热体单位表面积所负担功率的选用与发热体的材料、规格、构造、敞露与封闭程度、炉膛温度及散热情况等有关。

合理选择表面功率就是既能够节约发热体材料又保证发热体的使用寿命。表面功率太小，要浪费材料，表面功率过大，则降低发热体的使用时间2。

石墨发热体主要性能石墨的氧化速度和挥发速度影响发热体的使用寿命, 当真空度为10-3~10-4毫米汞柱时, 使用温度应在2300℃ 以下。在保护气氛(通H2、N2、Ar等) 时, 使用温度可达3000℃ 。石墨不能在空气中使用，否则要发生氧化而消耗。在1400℃ 以上与W强烈反应生成碳化物。

石墨的热膨胀系数小，温度升高时尺寸稳定，这在发热体结构设计中是重要的特性之一。

石墨的机械强度在2500℃ 以下，随温度升高而加大。超过2500℃时，强度下降很快。

石墨导热性能随温度升高而降低。当炉子处于高温运行，发热体壁厚又大时，发热体表面与中心温差大，导致产生较大的热应力。

石墨的电阻率虽然较大，但为了提高发热体强度，其侧壁应有一定厚度。所以，发热体总电阻却很低，并随不同批材质而变化。需配低电压、大电流的变压器。石墨机械强度大，导热系数高，热膨胀系数小。因此, 抗热震性好，能减少高温下裂缝的出现1。

石墨发热体的优化设计研究人员通过对石墨发热体结构改进前后进行的仿真计算结果进行对比分析，得出以下结论：

(1)石墨发热体结构改进后，石墨筒内温度场均匀性得到较明显的改善。

(2)石墨发热体结构改进后，靠近石墨筒门区域的烧结制品温度偏低的情况得到较大的改善。

改进后靠近石墨筒门区域的烧结制品与其它位置温差较小，改善了整炉烧结制品表面温度的均匀性，这对于保障整炉烧结制品的质量有很重要的作用。

(3)石墨发热体结构改进后，烧结制品表面温度虽仍呈现出外高内低的分布，但温度最高区域已不再是顶部中间的烧结制品了，这对于提高靠近炉门区域的烧结制品表面温度有重要的作用，大大减少了由于炉门处未布置发热体所带来的影响，提高了整炉烧结制品表面温度的均匀性3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学