Trong lĩnh vực khoa học vật liệu hiện đại và nghiên cứu và phát triển năng lượng mới, thiết bị xử lý nhiệt độ cao để kiểm soát chính xác nhiệt độ và bầu không khí đã trở thành thiết bị cốt lõi thúc đẩy đổi mới công nghệ, và lò ống chân không cao là đại diện xuất sắc của lĩnh vực này. Khí quyển cao chân không ống lò là một thiết bị xử lý nhiệt chính xác tích hợp nhiệt độ cao, chân không và kiểm soát không khí. Nó tạo ra một môi trường áp suất thấp gần như không có oxy bằng cách giảm mức áp suất không khí trong lò (thường là 10 ⁻³ Pa đến 10 ⁻Pa), sau đó chuyển sang một loại khí cụ thể, cung cấp một môi trường xử lý nhiệt rất tinh khiết và có thể kiểm soát để xử lý vật liệu. Thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển và sản xuất các liên kết của các trường đại học, viện nghiên cứu khoa học và các doanh nghiệp sản xuất tiên tiến, trở thành nền tảng công nghệ trong các lĩnh vực tổng hợp vật liệu, quy trình bán dẫn và phát triển năng lượng mới.

I. Nguyên tắc làm việc và cấu trúc hệ thống

Nguyên tắc làm việc cốt lõi của lò ống chân không cao khí quyển dựa trên sự hợp tác của ba mô-đun kỹ thuật chính là thiết lập môi trường chân không, kiểm soát nhiệt độ sưởi ấm chính xác và kiểm soát khí quyển. Quy trình làm việc của nó bắt đầu với sự khởi đầu của một hệ thống chân không. Thông qua sự kết hợp của máy bơm cơ khí với máy bơm phân tử, không khí bên trong lò được rút ra, tạo thành một môi trường chân không cao. Quá trình này loại trừ hiệu quả các khí tạp chất như oxy và hơi nước, cung cấp cơ sở tinh khiết để xử lý vật liệu.

Sau đó, hệ thống sưởi bắt đầu hoạt động. Sử dụng các yếu tố làm nóng như dây điện trở, thanh silicon carbon hoặc thanh silicon molypden để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt, làm nóng vật liệu bên trong ống lò bằng phương pháp bức xạ. Hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò ống hiện đại sử dụng thuật toán điều khiển PID, kết hợp với cặp nhiệt điện có độ chính xác cao, có thể đạt được độ chính xác nhiệt độ ± 1 ℃.

Cuối cùng, theo yêu cầu của quá trình, việc thông khí trơ hoặc phản ứng được kiểm soát chính xác bằng đồng hồ đo lưu lượng khối, tạo thành một môi trường khí quyển cụ thể. Chế độ làm việc "chân không trước, bầu không khí sau" này vừa tránh quá trình oxy hóa vật liệu, vừa đáp ứng nhu cầu của các phản ứng hóa học phức tạp.

II. Lợi thế kỹ thuật chính

Những lợi thế cốt lõi của lò ống chân không khí cao được phản ánh trong ba khía cạnh: kiểm soát nhiệt độ chính xác, điều chỉnh khí quyển linh hoạt và hiệu suất chân không ổn định.

Về kiểm soát nhiệt độ, lò ống tiên tiến sử dụng công nghệ tự điều chỉnh PID có thể lập trình 30 đoạn, hỗ trợ tự động làm nóng và làm mát, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ có thể đạt ± 1 ℃. Khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác này rất quan trọng đối với các quá trình nhạy cảm với nhiệt độ như tăng trưởng vật liệu bán dẫn, chuẩn bị chất xúc tác, v.v. Về kiểm soát khí quyển, thiết bị hỗ trợ nhiều môi trường khí, bao gồm khí trơ (ví dụ: argon, nitơ), khí giảm (ví dụ: hydro) và khí phản ứng (ví dụ: oxy, metan). Thông qua bộ điều khiển lưu lượng chất lượng, độ chính xác kiểm soát lưu lượng khí có thể đạt ± 1%, đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của các vật liệu và quy trình khác nhau đối với môi trường khí quyển. Về hiệu suất của hệ thống chân không, sử dụng kết hợp bơm phân tử và bơm giai đoạn trước, có thể đạt được môi trường chân không cao (10 ⁻³ Pa đến 10 ⁻Pa), có hiệu quả tránh phản ứng oxy hóa của vật liệu ở nhiệt độ cao. Ví dụ, trong quá trình thiêu kết vật liệu dương của pin lithium-ion, môi trường chân không cao ngăn chặn quá trình oxy hóa nguyên tố coban, tăng tỷ lệ duy trì công suất sản phẩm lên 98%.

III. Cảnh ứng dụng chính

Trong lĩnh vực vật liệu năng lượng mới, lò ống chân không khí cao đóng một vai trò quan trọng. Trong quá trình thiêu kết các vật liệu tích cực của pin lithium-ion như LiCoO₂, môi trường chân không ngăn chặn quá trình oxy hóa nguyên tố coban trong khi thúc đẩy sự pha trộn đồng đều của lithium-coban thông qua bầu không khí oxy, làm tăng đáng kể sự ổn định của chu kỳ vật liệu.

Trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, thiết bị này được sử dụng để phát triển MOCVD của các vật liệu như gallium nitride (GaN). Bằng cách kiểm soát chính xác lưu lượng khí amoniac và áp suất buồng phản ứng, bộ phim chất lượng cao với mật độ sai lệch dưới 10 cm⁻² có thể được chuẩn bị, tốc độ tăng trưởng tăng 40% so với các thiết bị truyền thống.

Trong xử lý vật liệu hàng không vũ trụ, lò ống chân không được sử dụng trong quá trình ủ chân không cho các bộ phận quan trọng như hợp kim titan TC4. Bằng cách kiểm soát chính xác lưu lượng hydro và thời gian giữ nhiệt, ứng suất còn lại của các bộ phận có thể giảm xuống dưới 50 MPa và tuổi thọ mỏi tăng gấp 3 lần.

Về tổng hợp vật liệu nano, thiết bị có thể được chuẩn bị bằng cách giảm nhiệt chân không của một lớp graphene (độ tinh khiết>99,5%) ở độ chân không 10⁻² Pa đến 10⁻³ Pa, thông qua bầu không khí hỗn hợp H₂/N₂ và môi trường nhiệt độ cao, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

IV. Các thông số chính để lựa chọn thiết bị

Việc lựa chọn lò ống chân không cao phù hợp với bầu không khí đòi hỏi phải xem xét toàn diện nhiều thông số như độ chân không, phạm vi nhiệt độ, khả năng tương thích không khí và hiệu suất an toàn.

Độ chân không là yếu tố cân nhắc hàng đầu. Theo nhu cầu ứng dụng, sự kết hợp của các nhóm bơm khác nhau có thể được tùy chọn: chân không thấp (1000-100 Pa) thích hợp cho quá trình sấy khô, loại bỏ khí và các quy trình đơn giản khác; Chân không trung bình (100-0,1 Pa) thích hợp cho ủ kim loại, nung gốm trước; Chân không cao (0,1-10⁻³ Pa) thích hợp cho tổng hợp nhiệt độ cao, quá trình bán dẫn và xử lý chính xác khác.

Phạm vi nhiệt độ cần phù hợp với nhu cầu công nghệ vật liệu. Theo vật liệu ống lò khác nhau, giới hạn nhiệt độ sử dụng khác nhau: ống thạch anh ≤1100 ℃, ống corundum có thể đạt 1600 ℃. Việc lựa chọn các yếu tố làm nóng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt độ: thanh molypden silicon thích hợp cho nhiệt độ 1800 ℃, thanh carbon silicon thích hợp cho 1400 ℃, dây điện trở thích hợp cho cảnh dưới 1200 ℃.

Hiệu suất an toàn không thể bỏ qua. Thiết bị chất lượng cao phải có nhiều cơ chế an toàn như bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ rò rỉ điện và báo động gãy cặp nhiệt điện để đảm bảo an toàn vận hành. Thiết kế cấu trúc làm mát bằng không khí hai lớp có thể làm cho nhiệt độ bề mặt lò ≤45 ℃, ngăn ngừa bỏng hiệu quả.