Verschiedene Heizelemente für Hochtemperaturanwendungen

Heizelemente sind ein integraler Bestandteil von Hochtemperaturanlagen und werden häufig in der Materialverarbeitung, der Herstellung von Halbleiterbauelementen, der Metallurgie, in Forschungslabors und in verschiedenen High-Tech-Industrien eingesetzt. Moderne Hochtemperaturreaktoren verwenden eine Reihe verschiedener Heizmaterialien, die jeweils für den Betrieb unter bestimmten thermischen, chemischen oder mechanischen Bedingungen ausgelegt sind.

Metallische Heizelemente

Heizelemente aus Wolfram - unübertroffen in extrem hohen Temperaturbereichen

Wolfram (W) als Heizelement funktioniert gut bei der höchstmöglichen Betriebstemperatur. Sein Schmelzpunkt liegt bei 3.422°C. Diese Heizelemente werden in Vakuumöfen, Sintermaschinen, Saphirkristallzuchtanlagen und Hochtemperaturverdampfungsanlagen eingesetzt. Sie funktionieren am besten unter Vakuum oder einer inerten Atmosphäre. Es weist einen niedrigen Dampfdruck, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Stabilität bei höheren Temperaturen auf.

Allerdings oxidiert es bei Temperaturen über 500 °C an der Luft leicht. Daher wird es normalerweise bei niedrigem Druck und in einer inerten Atmosphäre verwendet. Die Heizelemente werden normalerweise in Form von Stäben, Drähten und Heizgittern hergestellt.

Molybdän-Heizelemente - Überlegene Leistung in Vakuum und reduzierenden Umgebungen

Molybdän (Mo) ist aufgrund seiner guten Hochtemperatureigenschaften und seiner hohen Widerstandsfähigkeit bei hohen Temperaturen ein weiteres häufig verwendetes Metallheizelement. Es schmilzt bei 2.623°C. Obwohl es nicht so edel wie Wolfram ist, lässt sich Molybdän leichter bearbeiten und ist relativ kostengünstig. Heizelemente aus Molybdän werden häufig in Vakuumwärmeöfen eingesetzt. Ursprünglich wurde Molybdän zum Ziehen von Kristallen und zum Metallisieren im Vakuum verwendet.

Wie Wolfram ist auch Molybdän ein mit der Luft reaktionsfähiges Metall, das einen Schutz in einer Schutzgasatmosphäre erfordert. Molybdän-La-Legierungen und Molybdän-Zr-Legierungen haben eine bessere Duktilität und erhöhen die Lebensdauer von Heizelementen.

Heizelemente aus Tantal - Hervorragende Korrosionsbeständigkeit

Heizelemente aus Tantal haben mehrere wünschenswerte Eigenschaften. So hat es eine extrem hohe Schmelztemperatur von 3.017°C. Außerdem weist es eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und verhält sich wie ein inertes Metall, vor allem gegenüber Säuren. Außerdem oxidiert es und bildet eine nicht schützende Oxidschicht, wenn es bei hohen Temperaturen der Luft ausgesetzt wird. Es eignet sich für hochreine Verarbeitungen, wie z. B. das Wachstum von Halbleiterkristallen.

Es ist im Vergleich zu Wolfram oder Molybdän teurer und sollte daher nur in Betracht gezogen werden, wenn Probleme mit der Reinheit oder Korrosionsbeständigkeit auftreten.

Heizelemente auf Keramikbasis

Heizelemente aus Siliziumkarbid (SiC) - beständig gegen Luft bis zu ca. 1.600°C

Komponenten aus Siliziumkarbid gehören zu den flexibelsten keramischen Heizelementen. Diese Heizelemente funktionieren effektiv an Luft, ohne dass ein Vakuum oder eine inerte Atmosphäre erforderlich ist. Siliziumkarbid-Komponenten weisen eine gute Oxidationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und eine stabile Lebensdauer auf. Die Anwendungen dieser Bauteile sind vielfältig und reichen von Laborheizöfen und Wärmebehandlungsöfen bis hin zur Glasverarbeitung und zum Glühen von Metallen.

Ihr elektrischer Widerstand nimmt mit dem Gebrauch zu, und sie unterliegen einer Verschlechterung durch Oxidation. Dennoch gehören sie nach wie vor zu den kostengünstigsten Werkstoffen für den Betrieb bei mittleren und hohen Temperaturen.

Molybdändisilicid (MoSi₂) Widerstandsheizelemente

MoSi₂-Heizelemente erweitern die maximale Betriebstemperatur über die von SiC-Heizelementen hinaus, da sie erfolgreich in Luft bis zu 1.800°C betrieben werden können. Sie bilden eine schützende Schicht aus Siliziumdioxid, SiO₂, auf der Oberfläche und verhindern so eine weitere Oxidation.

MoSi₂-Komponenten sind im Vergleich zu metallischen Heizelementen relativ spröde, bieten aber eine hohe thermische Stabilität und Lebensdauer auch an Luft.

Heizelemente auf Kohlenstoffbasis

Graphit-Heizelemente - Leitfähigkeit und Stabilität bei sehr hohen Temperaturen

Heizelemente aus Graphit können bei Temperaturen von über 2.000 °C in einer inerten Umgebung und bis zu 3.000 °C im Vakuum betrieben werden. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Graphit gewährleistet eine effiziente Erwärmung. Es findet eine Vielzahl von Anwendungen als effiziente Heizquelle bei sehr hohen Temperaturen in verschiedenen metallurgischen Prozessen und der Epitaxie.

An der Luft kann Graphit bei hohen Temperaturen nicht erhitzt werden, da er sich mit Sauerstoff verbindet. Daher sind bei der Konstruktion von Graphitöfen Vakuum oder inerte Atmosphären erforderlich. Heizelemente aus Graphit werden als Stäbe, Platten, Rohre und mehr verkauft.

Vergleichstabelle und Auswahlkriterien

Alle oben genannten Daten dienen nur als Referenz und können je nach Material, Verarbeitungsbedingungen und spezifischen Anwendungsanforderungen variieren. Weiterführende Lektüre: Heizelemente: Molybdändisilicid vs. Siliziumkarbid

• Metallische Werkstoffe mit hohem Schmelzpunkt, darunter Metalle wie Wolfram, Molybdän und Tantal, bieten eine hervorragende Leistung unter Vakuum und inerten Atmosphären und ermöglichen die Hochtemperaturverarbeitung mit extrem reinen Halbleitermaterialien.
• Siliziumkarbid und Molybdändisilizide wurden erfolgreich als keramische Heizelemente eingesetzt, die effektiv mit Luft als Medium arbeiten können.
• Heizelemente aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, sind in Bezug auf Gleichmäßigkeit und Stabilität für einige der Hochtemperaturprozesse in kontrollierten Atmosphären unübertroffen.

Jede Art von Heizelementen - Metallheizelemente, Keramikheizelemente und Heizelemente auf Kohlenstoffbasis - hat ihre eigenen Vorteile, die für unterschiedliche Heizbedingungen geeignet sind. Bitte besuchen Sie Stanford Advanced Materials (SAM) für verschiedene Arten von Heizelementen. U-Form, W-Form und H-Form sowie kundenspezifische Anpassungen sind möglich.