Vari elementi riscaldanti per usi ad alta temperatura

Gli elementi riscaldanti sono parte integrante delle apparecchiature ad alta temperatura e sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, nella produzione di dispositivi a semiconduttore, nella metallurgia, nei laboratori di ricerca e in varie industrie ad alta tecnologia. I reattori contemporanei ad alta temperatura impiegano una serie di materiali riscaldanti diversi, ciascuno progettato per funzionare in condizioni termiche, chimiche o meccaniche specifiche.

Elementi riscaldanti metallici

Resistenze elettriche al tungsteno: impareggiabili a temperature estremamente elevate

Il tungsteno (W) come elemento riscaldante funziona bene alle più alte temperature operative possibili. Il suo punto di fusione è pari a 3.422 °C. Questi elementi riscaldanti sono utili nei forni a vuoto, nelle macchine per la sinterizzazione, nelle macchine per la crescita dei cristalli di zaffiro e negli impianti di evaporazione ad alta temperatura. Funzionano al meglio sotto vuoto o in atmosfera inerte. Presenta una bassa pressione di vapore, un'elevata conducibilità termica e stabilità alle alte temperature.

Tuttavia, si ossida facilmente a temperature superiori a 500°C in aria. Di conseguenza, viene normalmente utilizzato a bassa pressione e in atmosfera inerte. Gli elementi riscaldanti sono normalmente realizzati sotto forma di barre, fili e reti.

Resistenze elettriche al molibdeno - Prestazioni superiori in ambienti con vuoto e riduzione di pressione

Il molibdeno (Mo) è un altro riscaldatore metallico ampiamente utilizzato grazie alle sue buone proprietà ad alta temperatura e alla sua forte resistenza a temperature elevate. Fonde a 2.623°C. Sebbene non sia nobile come il tungsteno, il molibdeno può essere lavorato più facilmente ed è relativamente meno costoso. Gli elementi riscaldanti in molibdeno sono comuni nei forni a vuoto. L'estrazione dei cristalli e la metallizzazione sotto vuoto sono state inizialmente effettuate con il molibdeno.

Come il tungsteno, anche il molibdeno è un metallo reattivo all'aria e richiede una protezione in atmosfera inerte. Le leghe molibdeno-La e molibdeno-Zr hanno una migliore duttilità e aumentano la durata dei riscaldatori.

Elementi riscaldanti in tantalio - Eccezionale resistenza alla corrosione

Gli elementi riscaldanti in tantalio hanno diverse proprietà desiderabili. Va notato che ha una temperatura di fusione estremamente elevata, pari a 3.017°C. Inoltre, presenta un'elevata resistenza alla corrosione e agisce come un metallo inerte, soprattutto nei confronti degli acidi. Inoltre, si ossida e forma uno strato di ossido non protettivo se esposto all'aria ad alte temperature. È utile per la lavorazione ad alta purezza, che comprende la crescita di cristalli di semiconduttori.

È più costoso rispetto al tungsteno o al molibdeno e quindi deve essere preso in considerazione solo in presenza di problemi di purezza o di resistenza alla corrosione.

Elementi riscaldanti a base ceramica

Elementi riscaldanti in carburo di silicio (SiC) - Resistenti all'aria fino a circa 1.600°C

Icomponenti in carburo di silicio sono tra i riscaldatori ceramici più flessibili. Questi elementi riscaldanti funzionano efficacemente in aria senza richiedere il vuoto o un'atmosfera inerte. I componenti in carburo di silicio hanno una buona resistenza all'ossidazione, agli shock termici e una durata di vita stabile. Questi componenti trovano diverse applicazioni, dai forni per il riscaldamento dei laboratori ai forni per il trattamento termico, dalla lavorazione del vetro alla ricottura dei metalli.

Le loro resistenze elettriche aumentano con l'uso e subiscono un deterioramento a causa dell'ossidazione. Tuttavia, sono ancora tra i materiali più convenienti per il funzionamento a temperature medie e alte.

Resistenze elettriche in disiliciuro di molibdeno (MoSi₂)

Gli elementi riscaldanti in MoSi₂ estendono la temperatura massima di funzionamento oltre quella degli elementi riscaldanti in SiC, perché possono funzionare con successo in aria fino a 1.800°C. Sviluppano uno strato protettivo di silice, SiO₂, sulla superficie, impedendo così un'ulteriore ossidazione.

I componenti in MoSi₂ sono relativamente più fragili rispetto ai riscaldatori metallici, ma offrono un'elevata stabilità termica e durata anche in aria.

Elementi riscaldanti a base di carbonio

Elementi riscaldanti in grafite - Conduttività e stabilità a temperature molto elevate

I componenti in grafite sono in grado di funzionare a temperature superiori a 2.000°C in ambiente inerte e di raggiungere i 3.000°C nel vuoto. L'elevata conducibilità termica della grafite garantisce un riscaldamento efficiente. Trova un gran numero di applicazioni come fonte di riscaldamento efficiente a temperature molto elevate in vari processi di metallurgia ed epitassia.

La grafite non può essere riscaldata in aria ad alte temperature perché si combina con l'ossigeno. Di conseguenza, nei progetti di forni per grafite sono necessarie atmosfere sottovuoto o inerti. Gli elementi riscaldanti in grafite sono venduti sotto forma di barre, piastre, tubi e altro ancora.

Tabella comparativa e modalità di scelta

Tutti i dati sopra riportati sono solo di riferimento e possono variare a seconda dei materiali, delle condizioni di lavorazione e dei requisiti applicativi specifici. Lettura correlata: Elementi riscaldanti: Disiliciuro di molibdeno e carburo di silicio

• I materiali metallici con punti di fusione elevati, tra cui metalli come il tungsteno, il molibdeno e il tantalio, offrono prestazioni superiori sotto vuoto e in atmosfera inerte e consentono la lavorazione ad alta temperatura di materiali semiconduttori estremamente puri.
• Il carburo di silicio e i disiliciuri di molibdeno sono stati impiegati con successo come riscaldatori ceramici in grado di funzionare efficacemente con l'aria come mezzo.
• I riscaldatori al carbonio, in particolare la grafite, non hanno eguali in termini di uniformità e stabilità per alcuni dei processi a temperatura più elevata eseguiti in atmosfera controllata.

Ogni tipo di elemento riscaldante, elementi riscaldanti in metallo, elementi riscaldanti in ceramica ed elementi riscaldanti a base di carbonio, presenta una serie di vantaggi adatti alle diverse condizioni di riscaldamento. Per i diversi tipi di elementi riscaldanti, visitate il sito Stanford Advanced Materials (SAM). Sono disponibili elementi a U, a W, ad H e su misura.