金屬熔化後的溫度通常都在幾千度以上,也被賦予了極強的可塑性,可以被用來製作合金,以及各種不同的用具。但這,什麼東西才能裝住這些金屬還不被「燒壞」呢?
那就是坩堝。
坩堝到底有什麼本事,可以「勝任」這份工作呢?
其實,人人家裡都有坩堝
坩堝是一種被廣泛用來加熱或融化固體材料的一種儀器。在化學實驗室里,它是供實驗材料加熱、反應的器皿;在工廠里,它是熔化和精鍊金屬液體的工具,可用於熔煉金屬、燒制陶瓷、化工反應等等。
別聽說得那麼高大上,其實,我們人人家裡都有「坩堝」。
如果在網上搜索和坩堝有關的實驗,有很大概率你會看到一種令人匪夷所思的坩堝——馬鈴薯坩堝。沒錯,就是菜市場就能買到的那種可以吃的馬鈴薯。看到這是不是就覺得更不可思議了,剛剛說坩堝是用來熔煉金屬的,意思這日常做菜的馬鈴薯也可以用來加熱並承裝幾千度的金屬嗎?
不要懷疑,馬鈴薯的確可以。
抖音有一位博主曾經就用馬鈴薯坩堝熔化過金屬,操作十分簡單。首先,拿出一個馬鈴薯在它上面鑿一個洞;接着放入銅絲,直接用火焰噴槍對其進行加熱。
可以看到,隨着馬鈴薯接觸火焰的一面被燒黑、燒焦,放入其中的銅絲也一併熔化了,熔化了的銅也並沒有灼穿馬鈴薯,而是被好好裝在了底部。
隨後,這名博主又用這個馬鈴薯坩堝熔化了一塊鋁。鋁塊也融化了,並且相比之前的銅,這次熔化成的鋁水裝滿了整個馬鈴薯坩堝。
博主給馬鈴薯坩堝開了個口,將鋁水倒入模具,冷卻後做出了一枚小元寶,這也證明馬鈴薯坩堝在某些時候,真的是正兒八經可以用的坩堝。
這個時候大家可以通過邊緣看到,馬鈴薯坩堝被灼燒的那一面,表層已經像被燒過的炭一樣開裂、發灰了,其實這就是坩堝能盛裝鋁水的「秘訣」。被高溫灼燒後的馬鈴薯,表面水分蒸發,只剩下一層緻密的碳層,這個碳層已經不會再因為高溫發生大的反應了,說白了就是燒不動了,因此可以承受住噴槍和鋁水的高溫,穩穩地裝住鋁水。
坩堝為什麼不怕燒?古往今來都有這些材料可以用來製作它
人類與坩堝一起度過的歷史真的很長。
目前發現最早的坩堝,是土耳其中部發現的,公元前第 7 千紀左右使用的的一口坩堝。目前已知最早的用坩堝進行過冶煉的地方是遺址是東歐和伊朗的部分地區,年代大致在公元前第 6 千紀晚期到第 5 千紀早期。
在中國坩堝的使用歷史可以追溯到幾千年前,比如在河南商周鑄銅遺址中就曾出土過三種形制的坩堝。一種以灰陶缸或大口尊改制而成,內外塗較厚的草拌泥。
另一種為厚壁、大口,下有長尾便於插置和倒轉,形如頭盔,俗稱「將軍盔」,上面粘有銅渣。
還有一種壁胎全用草拌泥條盤築而成,形較大,內壁有燒痕,粘有銅渣,陶胎呈灰黑色,外壁紅褐色。
可以看出,那時我們的坩堝主要以陶土製的為主,不為別的,就是因為陶土更加耐燒,主要用來對銅進行熔煉。當時沒有火焰噴槍,且坩堝為了具備高耐火性,都是做得很厚的,如果用火在坩堝外加熱的話熱效率就很低。
於是為了提高熱效率,聰明的古人在冶煉銅時,會將銅和木炭一起放入坩堝中,點燃之後往內部鼓風,也就相當於可以讓銅直接接觸火,從而得到更好的熔煉效果。這也是這些出土的坩堝,內壁會有灼燒痕迹的原因。
往後的坩堝也一直沿用着這種「內加熱」的原理,只是在形制和材料上會有所變化。形制的變化就是奔着提升鼓風技術,從而達到並維持更高的爐溫去的;材料除了陶之外,也運用過砂、石英、黏土等的材料混合,主要目的就是為了提升坩堝耐高溫的屬性。
這種冶煉方式一代代傳承下來,曾一度讓國內很多地區成為冶煉大省,比如山西,就有延續了延續二千多年的「坩堝冶鐵」的歷史。
到了近現代,坩堝的材質變得更加多樣,用途也更加廣泛了。按材質分類,主要可以分為石墨坩堝、粘土坩堝和金屬坩堝三大類。
石墨坩堝,是指以石墨、粘土、硅石和臘石為原料燒制而成的一類坩堝,耐高溫至1800℃。這類坩堝,化學性質穩定,具有良好的抗腐蝕性能,耐高溫且熱膨脹係數小。內壁平滑,不易滲漏或粘附熔化材料,因此常被用於有色金屬及其合金的冶煉。
黏土坩堝,由黏土、石墨、熟料或硅石製作,熔點為3850℃,沸點為4250℃,熱膨脹係數小,主要用於溶液的蒸發、濃縮或結晶,灼燒固體物質。
金屬坩堝種類很多,有用於熔化合金的鑄鐵坩堝、抗鹼性和抗侵蝕能力較強的鎳坩堝、用於加熱非金屬材料的白金坩堝等等。
還有特別的石英坩堝,這種坩堝在近年比較緊缺,這是因為它具有的高純度、耐溫性強、尺寸大、精度高、保溫性好、節約能源、質量穩定等眾多優點,可在1450℃的溫度下使用。使它可以被用於半導體與太陽能拉制大直徑單晶硅,同時它也是國內發展光伏等大規模集成電路,所必不可少的基礎材料。
以上坩堝統一的特性就是耐高溫,但是它們所能承受的最高溫也各不相同,這也就解釋了它們為什麼「不怕燒」。所謂的不怕燒,其實就是工作中它們所承受的溫度,達到了它們熔煉物品的熔點,但是沒有達到它們自己的熔點,並且坩堝的熱傳導性也很強,能避免局部較熱的情況發生,因此坩堝內的物質熔化了,坩堝也不會損壞或熔化。
比如熔點961.78℃的銀,放到石墨坩堝中熔煉,溫度只用升高到銀的熔點即可達到目的,而這樣的溫度幾乎不會對耐溫1800℃的石墨坩堝產生什麼影響。
之所以會發明出那麼多種材料的坩堝,也是因為需要熔煉的物質熔點不同,被用於不同用途時需要加熱的溫度也不同,所以需要的坩堝,就必須具有不同的耐受溫度和特性。
燒不化的坩堝是怎麼做出來的呢?
金屬器具是靠坩堝熔化金屬製作的,那坩堝又是怎麼被做出來的呢?因為已經沒有能承裝「熔化的坩堝」的工具了,因此坩堝並不是熔化製作的,市面上的多數坩堝,都是將製作材料處理成可塑型的狀態,如固體材料打碎成粉末,然後通過模具加壓成型、手塑成型、旋塑成型和壓塑成型等方式,物理施壓成型的。
當然部分金屬坩堝中的金屬,還是可以通過熔化的方式與其他材料混合,而後塑形的;石英坩堝也是採用注漿或注凝的方法製作的。
看到這就會發現,坩堝也不是什麼逆天的東西,它只是彙集了古往今來鐵匠、研究人員智慧的一個平平無奇熔煉小幫手罷了,一如過去的幾千年,坩堝在未來一段時間裏,也會繼續在煉金、制陶、化工等領域發光發熱,並且不斷拓寬「業務範圍」,助力更多產業發展。
最後來個溫馨提示:馬鈴薯坩堝雖然有趣,但沒有專業經驗的大家還是不要輕易嘗試哦,看看視頻過過眼癮也是很開心的感受方式。