介绍 实验室和工业炉中的可控气氛
在实验室或工业炉/烘箱中创造一种可控气氛，包括改变密封容器内的气氛成分，以达到特定工艺的理想条件。
有几种不同类型的可控气氛，其特性决定了它们是否适合于某种应用。
下面将介绍不同类型的可控气氛、如何创造这些气氛、卡博莱特-吉罗的工艺解决方案以及典型应用和常见问题。
Carbolite Gero产品通常在空气中使用，但通过额外的设备，一些产品能够包含可控气氛。由于空气中含有氧气，在空气中加热样品可能会导致样品氧化，这对某些应用来说并不总是可取的。
| N2 | 氮 | 78.08% |
| O2 | 氧 | 20.95% |
| Ar | 氩气 | 0.93% |
| CO2 | 二氧化碳 | 0.038% |
| 其他气体 | 0.002% |
根据所处理的材料类型和所需的环境，可控气氛可用于保护样品在热处理期间不被氧化，或积极促进反应。惰性气体，如氩气（Ar）或氮气（N2），以及还原性气体，如氢气（H2），用于防止氧化，而氧化性气体，如氧气（O2）或氧化亚氮（N2O）则用于促进氧化。
卡博莱特盖罗公司通常使用氮气或氩气在产品内部创造惰性气氛。
在温度低于1800℃时，氮气通常被称为惰性气体。
氮气不是一种 "贵族 "气体，在特定条件下，它可以与氧气反应，形成一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）等气体。
在需要惰性气氛的情况下，如果被热处理的材料（或任何后续的副产品）不会与之发生反应，那么氮气是氩气的廉价替代品。
氩气是一种完全惰性的 "贵族 "气体，不会与任何接触到的材料发生反应。
虽然比氮气贵，但氩气的好处是可以在1800°C以上的温度下使用而没有任何反应的风险。
Carbolite Gero炉可适用于各种反应性气体，如氢气（H2）、一氧化碳（CO）、氨气（NH3）、甲烷（CH4）等。其中，最经常使用的是氢气。
氢气只有一个电子，这使它具有高度活性。
它的自燃温度约为500°C（932°F），因此，在使用过程中必须确保采取足够的安全防范措施。在将氢气引入容器之前，必须首先去除空气；这通常是通过用惰性气体吹扫来实现的。然后必须将容器加热到自燃温度以上，以确保氢气以可控的方式燃烧。
对于需要氢气特性的低温工艺，可以使用反应性较低的成型气体。一种典型的成型气体是氮气和氢气的混合物，其中氢气含量最多为5%。在这样的低浓度下，氢气通常不会爆炸。
当使用含氢量超过5%的气体时，需要有气体安全系统来防止爆炸。
当使用活性气体时，必须了解相关气体的爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）。LEL是指当暴露于火源时，会引起闪光或起火的气体或蒸汽的最低浓度，而UEL是指能够点燃的气体的最高浓度。高于爆炸上限的浓度被认为是太丰富，将无法燃烧。
氢气的爆炸范围
在实验室和工业炉子/烘箱中，有两种主要的方法可以在密封容器内创造一种可控气氛，即"净化"或"疏散和惰性气氛回填"。这两种方法都会导致非常低的氧气含量，但是 "疏散和惰性气氛回填 "通常会导致更纯净的气氛。创造可控气氛的过程被称为"气氛交换"。
吹扫包括将惰性气体流入一个密封的容器，以取代氧气，并将其从容器中清除。任何存在于容器表面的水（吸附的水）都不会被吹扫的过程所清除。这一过程会产生一种可被许多工艺所接受的可控气氛。可能有必要采用两种不同的气体流速；初始吹扫时采用高流速，使氧气含量尽可能低，然后在加工过程中采用较低的流速，以保持容器内所需的气体浓度水平。Carbolite Gero的HTMA炉系列采用这一原则。
预抽真空和惰性气氛回填 "方法包括两个阶段。最初阶段需要使用真空泵对容器进行抽空，并尽可能多地抽取空气和吸附的水。随后是 "惰性气氛回填 "阶段，即引入惰性气体流以置换任何残留的元素或化合物。
这个过程可以根据需要重复多次，以在容器内达到所需的气氛。
如果被热处理的部件是多孔的，预抽真空和惰性气氛回填的方法是理想的，因为真空泵会去除任何空气，否则，如果只使用吹扫方法，这些空气会被困住。在高温下操作有可能损坏真空泵。
A - 用N2清洗容器，每小时40升（每小时10倍炉子容积）
B - 用N2清洗容器，每小时400升（每小时100倍炉子容积）
C - 容器抽空和惰性气氛回填
除了惰性和反应性可控气氛外，也可以在炉子/烘箱中完全在真空状态下对样品进行热处理，而不将气体引入密封容器。使用真空泵的额外好处是可以从多孔样品中抽出不需要的空气和分子。
重要的是要注意，除非是专门设计的目的，否则容器在热的时候不应该用真空泵抽空。大气压力的变化，加上温度变化引起的材料强度的降低，会导致容器，特别是那些矩形设计的容器破裂。
根据所使用的泵的类型，可以达到不同的真空度。
压力(mbar) | 类型 | |
| 粗真空 | 1000 - 1 | 旋片泵 |
| 细真空 | 1 - 10-3 | 罗茨泵 |
| 高真空 | 10-3 - 10-7 | 涡轮分子泵 |
| 超高真空 | < 10-7 | 涡轮分子泵 |
其他泵（油扩散泵、冷冻泵、离子获取器泵等）可根据要求提供。
注：在粗真空和细真空范围内没有抽速的泵，如涡轮分子泵和油扩散泵，需要与预抽泵结合使用，如旋片泵。
旋片泵
罗茨泵
涡轮分子泵
特别设计的圆柱形工艺内腔允许在高温下使用真空，然而由于应变能力的增加，工艺内腔越大，最高操作温度越低。
关于可用的真空炉解决方案的更多信息，请参见Carbolite Gero的GPCMA和GLO炉系列。
带有真空的Carbolite Gero工艺内腔
大多数在可控气氛中工作的容器被放置在炉膛内，加热元件和隔热层位于甑子外面，而 "冷壁" 真空炉将加热元件和隔热层都放在容器内。保温层的位置具有确保容器外壁保持冷却的作用，有助于保护容器的结构完整性，因此允许炉子在真空下高温运行。这些专门的炉子还可提供水冷系统，以进一步确保容器保持凉爽的外表面。
对容器进行抽真空会导致里面的原子和分子减少。然而，完美的真空是不可能实现的，所以粒子的数量永远不可能完全减少到零。在<10-7mbar的真空中，每立方厘米仍有<109个粒子。
下表显示了1cm3内的粒子数。平均自由路径长度（λ）是指一个粒子与另一个粒子碰撞后所能经过的平均距离。距离越大，可能出现的粒子就越少。λ 值取决于真空压力。
| 粗真空 | 细真空 | 高真空 | 超高真空 | |
| 压力(mbar) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| 每厘米3的颗粒数 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| 平均自由路径长度 (λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
下表显示了压力的不同单位。SI单位是帕斯卡（Pa）。
| Pa | bar | mbar | Torr (mm Hg) | atm | at | |
| 1 Pa | 1 | 10-5 | 10-2 | 7.5 x 10-3 | 9.87 x 10-6 | 1.02 x 10-5 |
| 1 bar | 105 | 1 | 10-3 | 750 | 0.987 | 1.02 |
| 1 mbar | 102 | 10-3 | 1 | 0.75 | 0.987 x 10-3 | 1.02 x 10-3 |
| 1 Torr | 133 | 1.33 x 10-3 | 1.33 | 1 | 1.32 x 10-3 | 1.36 x 10-3 |
| 1 atm (phys) | 101330 | 1.0133 | 1013.3 | 760 | 1 | 1.033 |
| 1 at (techn) | 98100 | 0.981 | 981 | 736 | 0.986 | 1 |
为了保持可控气氛，需要一个密封的容器。
卡博莱特盖罗公司提供标准的气体包和相关设备，以协助在我们的产品中创造和维持可控气氛，以及一系列专门为可控气氛应用而设计的产品。
可选的可控气氛设备和附件使操作更加灵活，因为产品可用于涉及不同气体、真空或无可控气氛的多种应用。
Carbolite Gero提供了一系列选件，以便在标准管式炉系列中实现可控气氛。这些选项包括特殊工作管包、惰性气体包、真空泵包以及氢气安全系统。
在箱式炉中，通常使用甑子来保持可控气氛。可选的设备和附件使操作更加灵活，因为产品可用于涉及不同气体、真空或无可控气氛的多种应用。
此外，还有专门的箱式炉和烘箱，完全以可控气氛操作为标准装备。
卡博莱特盖罗提供的真空炉系列包括真空箱式炉，真空钟罩炉，底部装载炉，实验室真空炉和真空管式炉。 每个炉子可以在反应性气氛或惰性气氛下使用。 我们真空炉系列中的大多数产品具有金属，石墨或陶瓷保温料。 根据要求，石墨炉可以在高达3000°C的温度下安全运行。
这些是在实验室或工业炉/烘箱中需要可控气氛的许多应用中的一部分。
热解是在惰性气氛中的高温下分解材料的方法。惰性气氛是必要的，因为材料在有氧气的情况下加热时可能会燃烧。
热解经常被用来实现有机材料的碳化，将它们转化为碳/富碳状态。当材料被碳化时，它们会有截然不同的特性，并且有许多研究领域在研究如何利用碳化材料的有益特性。
约克大学和生物可再生资源研究中心使用热解法将回收的淀粉转化为用于电池技术的材料。
3D打印是一种增材制造技术，可用于创建复杂的金属结构，否则不可能通过传统方法生产。
通常，金属源材料必须是粉末状的，并可能与粘合剂材料混合，以帮助将所得结构固定在一起。
这种粘结剂必须以化学方式或通过热处理去除。
热处理必须在改性、无氧的气氛下进行，因为暴露在空气中会导致金属氧化，可能会破坏一个相对昂贵的生产零件。
用Carbolite Gero炉在惰性气氛中进行热处理前后的3D打印金属零件。
随着商用电动汽车的出现，对电池技术的需求也在增加，这反过来又给潜在的有限资源，即锂、钴、镍和铜等宝贵金属带来了额外的压力。为了满足需求，有必要回收现有的废旧电池，以便回收这些金属供未来使用。
其中一种回收方法是将旧电池打成小块，并在旋转管炉内的惰性气氛中加热，以蒸发和去除塑料。惰性气氛是必要的，以防止塑料燃烧，因为它可能导致潜在的有毒烟雾，并使金属受到碳的污染。蒸发塑料可以确保金属可以容易和干净地被提取出来。
连接不同材料使其达到真空密封的最有效方法是在高真空环境下对其进行焊接和钎焊处理。两种不同的材料使用一种金属材料，即所谓的焊料或钎料进行连接。整个过程需要一个高真空或超高真空环境，最高温度为1100°C。真空环境可以防止氧化，并允许使用无助焊剂的焊接材料。
在正常（左）和高真空（右）条件下的电子化合物焊接。在左图中，你可以发现焊点中的气泡。
硬金属被用来制造木材加工工具、旋转工具、窗户或玻璃切割工具等。小锯片的刀头主要由碳化钨（WC）组成，但也可能包括少量的钴（Co）和钛（Ti）。
金属粉末与聚合物粘合剂（石蜡）混合并压制成形状。
在排胶过程中，保持可控的气体流动以保护炉体结构是非常重要的。因此，温度不能超过1450℃。
通过在烧结过程中应用规定的分压气氛，钴会向锯片表面扩散。这种扩散过程否定了进一步进行溅射过程的要求，但要求炉内气氛控制的精度很高。全球每天都有数百万个碳化钨工具头被生产出来。
创造可控气氛涉及改变密封容器内的气氛成分，以达到特定工艺的理想条件。有几种不同类型的可控气氛，其特性决定了它们是否适合于某种应用。大多数可控气氛属于三类之一，即惰性、反应性或真空。
惰性气氛是涉及可能因暴露于氧气而受损的样品的过程的理想选择。它们通常需要使用氩气（Ar）或氮气（N2），当温度低于1800°C时，被列为惰性气体。这些气体取代了氧气，并且不与样品材料发生反应，在热处理期间创造一个保护性的气氛。
术语 "反应性 "用于描述一系列气氛，在处理过程中用于催化或支持样品中的化学反应。反应性气氛通常用于促进氧化反应，从而形成氧化化合物（氧化铁、二氧化碳等），或促进还原反应，从而从样品中去除氧化化合物。 反应性气氛的例子包括使用氧化气体（O2 / N2O）和还原气体（H2）。
当需要在一个环境中完全没有氧气，或任何其他元素或化合物时，就需要真空气氛。通过使用不同类型的真空泵，可以实现不同级别的真空压力；这些级别包括粗、精、高和超高。所需的真空度取决于应用。
在密封容器内创造改变气氛有两种主要方法，"吹扫 "或 "抽空和惰性气氛回填"。这两种方法都会导致非常低的氧含量，但是 "预抽真空和惰性气氛回填 "通常会产生更纯净的气氛。创造可控气氛的过程被称为 "气氛交换"。
吹扫包括将惰性气体流入一个密封的容器，以取代和去除氧气。通常情况下，使用两种不同的气体流速；初始吹扫时使用高流速以降低氧气水平，然后在加工过程中使用较低的流速以保持所需的气体浓度水平并减少整体气体消耗。由于最初的高气体流速，吹扫在较短的时间内达到了可使用的气氛。
预抽真空和惰性气氛回填 "的方法包括两个阶段。初始阶段包括使用真空泵从容器和内部任何多孔样品中尽可能多地抽取氧气和不需要的颗粒。 抽空阶段之后是 "惰性气氛回填 "阶段，即引入惰性气体流以置换任何残留的颗粒。这个过程可以根据需要重复多次。
通常使用的真空泵有四种类型：旋片泵、罗茨泵、油扩散泵和涡轮分子泵。每种泵都能在特定范围内实现真空压力，泵的选择取决于应用过程的要求。 Carbolite Gero提供标准的旋片式和涡轮分子式真空泵套件，可分别达到5x10-2 mbar和1x10-5 mbar的真空水平。
真空的公认定义是，与环境条件相比，在恒定温度下，密封体积（容器）内的（气体）分子和原子数量减少。如果对一个密封的容器施加真空，里面的粒子数量就会减少，但是完美的真空永远不可能实现，因为即使在超高真空条件下，一厘米内仍有数十亿的粒子3。
压力（P）被定义为垂直作用于一个表面的力（F）和这个表面的面积（A）的商，所以 "P=F/A"。压力的SI单位是 "帕斯卡"，单位符号是Pa，但压力也可以用其他单位表示，如bar、mbar等。
无论是具有可控气氛的标准产品，还是完全定制的系统，卡博莱特盖罗公司多年来已经生产了数千台炉子，项目分布在全球各地。 请联系我们进行免费咨询，并与产品专家交谈，为您的应用需求找到最合适的解决方案!
