Divers éléments chauffants pour des utilisations à haute température

Les éléments chauffants font partie intégrante des équipements à haute température et sont largement utilisés dans le traitement des matériaux, la fabrication de semi-conducteurs, la métallurgie, les laboratoires de recherche et diverses industries de haute technologie. Les réacteurs contemporains à haute température utilisent un certain nombre de matériaux chauffants différents, chacun étant conçu pour fonctionner dans des conditions thermiques, chimiques ou mécaniques spécifiques.

Éléments chauffants métalliques

Éléments chauffants en tungstène - Inégalés dans les plages de températures extrêmement élevées

Les éléments chauffants en tungstène (W) fonctionnent bien à la température de fonctionnement la plus élevée possible. Son point de fusion est de 3 422°C. Ces éléments chauffants sont utiles dans les fours à vide, les machines de frittage, les machines de croissance de cristaux de saphir et les installations d'évaporation à haute température. Ils fonctionnent mieux sous vide ou dans une atmosphère inerte. Il présente une faible pression de vapeur, une conductivité thermique élevée et une stabilité à des températures élevées.

Cependant, il s'oxyde facilement à des températures supérieures à 500°C dans l'air. C'est pourquoi il est normalement utilisé à basse pression et dans une atmosphère inerte. Les éléments chauffants sont généralement fabriqués sous forme de barres, de fils et de mailles.

Éléments chauffants en molybdène - Performances supérieures dans le vide et les environnements réducteurs

Le molybdène (Mo) est un autre métal chauffant largement utilisé en raison de ses bonnes propriétés à haute température et de sa forte résilience à des températures élevées. Il fond à 2 623 °C. Bien qu'il ne soit pas aussi noble que le tungstène, le molybdène est plus facile à usiner et relativement moins cher. Les éléments chauffants en molybdène sont courants dans les fours de chauffage sous vide. L'extraction de cristaux et la métallisation sous vide ont d'abord été réalisées avec du molybdène.

Comme le tungstène, le molybdène est également un métal réactif à l'air qui nécessite une protection en atmosphère inerte. Les alliages molybdène-La et molybdène-Zr ont une meilleure ductilité et augmentent la durée de vie des éléments chauffants.

Éléments chauffants en tantale - Résistance exceptionnelle à la corrosion

Les éléments chauffants en tantale présentent plusieurs propriétés intéressantes. Il convient de noter que sa température de fusion est extrêmement élevée (3 017 °C). Il présente également une résistance élevée à la corrosion et agit comme un métal inerte, principalement contre les acides. En outre, il s'oxyde et forme une couche d'oxyde non protectrice lorsqu'il est exposé à l'air à des températures élevées. Il est utile pour les traitements de haute pureté, notamment pour la croissance des cristaux semi-conducteurs.

Il est plus coûteux que le tungstène ou le molybdène et ne doit donc être envisagé qu'en cas de problèmes de pureté ou de résistance à la corrosion.

Éléments chauffants à base de céramique

Éléments chauffants en carbure de silicium (SiC) - Résistants à l'air jusqu'à environ 1 600 °C

Lescomposants en carbure de sil icium comptent parmi les éléments chauffants céramiques les plus flexibles. Ces éléments chauffants fonctionnent efficacement dans l'air sans nécessiter de vide ou d'atmosphère inerte. Les composants en carbure de silicium présentent une bonne résistance à l'oxydation, une bonne résistance aux chocs thermiques et une durée de vie stable. Ces composants ont des applications variées, allant des fours de chauffage de laboratoire et des fours de traitement thermique au traitement du verre et au recuit des métaux.

Leurs résistances électriques augmentent avec l'usage et ils subissent une détérioration due à l'oxydation. Néanmoins, ils restent parmi les matériaux les plus rentables pour les opérations à moyenne et haute température.

Éléments chauffants à résistance en disiliciure de molybdène (MoSi₂)

Leséléments chauffants en MoSi₂ augmentent la température maximale de fonctionnement au-delà de celle des éléments chauffants en SiC, car ils peuvent fonctionner avec succès dans l'air jusqu'à 1 800 °C. Ils développent une couche de protection en silicium qui peut être utilisée dans des conditions extrêmes. Ils développent une couche de protection de silice, SiO₂, sur la surface, empêchant ainsi toute oxydation supplémentaire.

Les composants en MoSi₂ sont relativement plus fragiles que les éléments chauffants en métal, mais ils offrent une stabilité thermique et une durée de vie élevées, même dans l'air.

Éléments chauffants à base de carbone

Éléments chauffants en graphite - Conductivité et stabilité à très haute température

Les composants en graphite peuvent fonctionner à des températures supérieures à 2 000 °C dans un environnement inerte et atteindre 3 000 °C dans le vide. La conductivité thermique élevée du graphite garantit un chauffage efficace. Il trouve un grand nombre d'applications en tant que source de chauffage efficace à très haute température dans divers processus métallurgiques et dans l'épitaxie.

Le graphite ne peut pas être chauffé dans l'air à des températures élevées car il se combine à l'oxygène. Par conséquent, le vide ou les atmosphères inertes sont nécessaires dans la conception des fours à graphite. Les éléments chauffants en graphite sont vendus sous forme de barres, de plaques, de tubes, etc.

Tableau comparatif et comment choisir

Toutes les données présentées ci-dessus sont fournies à titre indicatif et peuvent varier en fonction des matériaux, des conditions de traitement et des exigences spécifiques de l'application. Lecture connexe : Éléments chauffants : Disiliciure de molybdène et carbure de silicium

• Les matériaux métalliques à point de fusion élevé, notamment les métaux tels que le tungstène, le molybdène et le tantale, offrent des performances supérieures sous vide et dans des atmosphères inertes et permettent un traitement à haute température avec des matériaux semi-conducteurs extrêmement purs.
• Le carbure de silicium et les disiliciures de molybdène ont été utilisés avec succès comme réchauffeurs céramiques qui peuvent fonctionner efficacement avec de l'air comme milieu.
• Les éléments chauffants en carbone, en particulier le graphite, n'ont pas d'égal en termes d'uniformité et de stabilité pour certains des processus à haute température réalisés dans des atmosphères contrôlées.

Chaque type d'élément chauffant, qu'il s'agisse d'éléments chauffants métalliques, céramiques ou à base de carbone, présente ses propres avantages en fonction des conditions de chauffage. Consultez le site Stanford Advanced Materials (SAM) pour connaître les différents types d'éléments chauffants. Des formes en U, en W et en H, ainsi que des personnalisations sont disponibles.