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高温用各種発熱体
発熱体は高温装置の不可欠な部分を形成し、材料加工、半導体デバイス製造、冶金、研究所、およびさまざまなハイテク産業で広く採用されている。現代の高温反応器には、特定の熱的、化学的、または機械的条件下で動作するように設計された、数多くの多様な発熱体が使用されています。
金属発熱体
タングステン発熱体 - 超高温領域で比類のない発熱体
発熱体としてのタングステン（W）は、可能な限り高い動作温度で機能します。その融点は3,422℃です。これらの発熱体は、真空炉、焼結機、サファイア結晶成長機、高温蒸発プラントで有用である。真空または不活性雰囲気下で最もよく機能する。蒸気圧が低く、熱伝導率が高く、高温でも安定である。
しかし、空気中では500℃以上で容易に酸化する。そのため、通常は低圧かつ不活性雰囲気で使用される。発熱体は通常、ロッド、ワイヤー、メッシュヒーターとして作られてきた。
モリブデン発熱体 - 真空および還元環境における優れた性能
モリブデン(Mo)は、その優れた高温特性と高温での強い弾力性により、広く使用されているもう一つの金属ヒーターです。2,623℃で溶融します。タングステンほど高貴ではありませんが、モリブデンは機械加工が容易で、比較的安価です。モリブデンの発熱体は真空加熱炉で一般的です。結晶引き上げと真空メタライジングは、当初モリブデンを使って行われた。
タングステンのように、モリブデンはまた不活性雰囲気の保護を要求する空気反応性の金属である。モリブデン-La合金とモリブデン-Zr合金は延性が良く、ヒーターの寿命を延ばします。
タンタル発熱体 - 卓越した耐食性
タンタル発熱体にはいくつかの望ましい特性があります。特筆すべきは、3,017℃という非常に高い溶融温度です。また、高い耐食性を示し、主に酸に対して不活性金属として機能します。さらに、高温で空気に触れると酸化し、非保護性の酸化物層を形成する。半導体結晶成長などの高純度加工に有用である。
タングステンやモリブデンに比べてコストが高いため、純度や耐食性に問題がある場合にのみ検討が必要です。
セラミックベースの発熱体
炭化ケイ素（SiC）発熱体 - 約1,600℃までの耐空気性
炭化ケイ素コンポーネントは、最も柔軟性の高いセラミックヒーターのひとつです。これらの発熱体は、真空または不活性雰囲気を必要とせず、空気中で効果的に機能します。炭化ケイ素コンポーネントは、優れた耐酸化性、耐熱衝撃性、安定した耐用年数を備えています。これらの部品は、実験室の加熱炉や加熱処理オーブンからガラス加工や金属アニールまで、様々な用途に使用されています。
電気抵抗は使用とともに増加し、酸化によって劣化する。それにもかかわらず、中・高温で使用できる最も費用対効果の高い材料のひとつである。
二珪化モリブデン（MoSi₂）抵抗発熱体
MoSi₂発熱体は、1,800℃までの空気中で正常に動作することができるため、SiC発熱体の最大動作温度を超えます。表面にシリカ（SiO₂）の保護層を形成し、酸化を防止します。
MoSi₂コンポーネントは、金属ヒーターに比べて比較的脆いですが、空気中でも高い熱安定性と寿命を提供します。
炭素系発熱体
黒鉛発熱体 -超高温での伝導性と安定性
グラファイト部品は、不活性雰囲気中では2,000℃以上、真空中では3,000℃に達する温度で動作可能です。グラファイトの高い熱伝導率は、効率的な加熱を保証します。様々な冶金プロセスやエピタキシーにおいて、超高温での効率的な加熱源として多くの用途があります。
グラファイトは酸素と結合するため、空気中で高温加熱することはできない。そのため、黒鉛炉の設計には真空または不活性雰囲気が必要です。黒鉛発熱体は、ロッド、プレート、チューブなどとして販売されています。
比較表と選び方
|
発熱体タイプ |
最高使用温度 |
雰囲気適合性 |
主な利点 |
一般的な用途 |
|
タングステン (W) |
~3,000°C |
真空、不活性 |
超高温対応、低蒸気圧 |
焼結、結晶成長、蒸発 |
|
モリブデン（Mo） |
~1,800-2,000°C |
真空、不活性 |
高温に強い。 |
真空炉、ろう付け |
|
タンタル（Ta） |
~2,500°C |
真空、不活性 |
優れた耐食性、高純度 |
半導体プロセス、結晶成長 |
|
黒鉛 |
~2,500-3,000°C |
真空、不活性 |
高導電性、機械加工可能 |
CVD、エピタキシー、冶金 |
|
SiC |
~1,600°C |
空気 |
耐酸化性、耐久性 |
キルン、熱処理炉 |
|
MoSi₂ |
~1,800°C |
空気 |
自己保護酸化膜、クリーン加熱 |
実験炉、焼結 |
上記のデータはすべて参考値であり、材料、処理条件、特定の用途要件によって異なる場合があります。関連記事発熱体：二ケイ化モリブデンと炭化ケイ素の比較
- タングステン、モリブデン、タンタルなどの金属を含む高融点の金属材料は、真空や不活性雰囲気下で優れた性能を発揮し、極めて純度の高い半導体材料の高温処理を可能にします。
- 炭化ケイ素と二ケイ化モリブデンは、空気を媒体として効果的に動作するセラミックヒーターとして採用され、成功を収めている。
- カーボンヒーター、特にグラファイトは、制御された雰囲気の中で行われる一部の高温プロセスにおいて、均一性と安定性の点で並ぶものはありません。
金属発熱体、セラミック発熱体、炭素系発熱体など、どのタイプの発熱体にも、それぞれの加熱条件に適した利点があります。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。U字型、W字型、H字型、カスタマイズも可能です。
Dr. Samuel R. Matthews
