石墨爐通常只能在氬氣環(huán)境下工作，防止石墨加熱元件，保溫材料在高溫的環(huán)境中發(fā)生反應，特別是在2200°C-2800°C的石墨爐。而其他惰性氣氛，如常見的氮氣，會在2200°C以上時與石墨中的碳發(fā)生化學反應，會直接腐蝕爐膛內的石墨部件，如加熱元件、保溫層等，導致設備壽命驟減。還會使得待石墨化的樣品變成含氮的多晶體，這種化學改變對于追求高純度石墨化工藝來說是不可接受的。這就是為什么石墨爐主要的工藝氣氛為氬氣的原因。

雖然氬氣比氮氣更具惰性，但是當溫度到了2500°C以上，尤其是在低壓、大電流、純氬環(huán)境里、電流密度高的高溫環(huán)境中，爐內很容易出現(xiàn)電弧或類似等離子體的放電現(xiàn)象。從下圖帕邢定律（Paschen‘s Law）曲線可以發(fā)現(xiàn)，氬氣相比其他惰性氣氛，在同等壓力和電場的情況下，是最容易被電離。一旦形成放電通道，就可能持續(xù)存在，帶來局部打火、石墨燒蝕，甚至影響溫度均勻性。

一旦氬氣被電離后，會形成自由電子e-和帶正電的離子Ar+。這些帶電粒子可以自由移動，從而使氬氣具有了導電性。從而影響其他的氬氣原子，更容易被電離。電子和離子在電場中將獲得能量，會撞擊石墨電極以及加熱元件表面，會使這些部件表面出現(xiàn)類似“燒蝕”現(xiàn)象。

再有，雖然溫度本身并不是氣體發(fā)生電離的原因。隨著溫度升高，這些電子和離子活躍度會進一步加強。動能和碰撞頻率可能會使電離過程更容易發(fā)生。

從概率圖，理想情況溫度為零度（K）下，電子和離子保持靜止，即不發(fā)生撞擊的概率為100%。隨著溫度的上升，保持靜止的概率會逐步下降。

氬氣發(fā)生電離本質上是一個物理過程，在高溫和強電場條件下是很難避免的。所以在高溫石墨爐里，我們真正能做的不是去“消除”電離，而是盡量降低它發(fā)生的概率。同時，氬氣本身的惰性決定了，它依然是2200°C以上石墨爐最主要，也基本不可替代的工藝氣氛。除了優(yōu)化加熱元件表面光滑度，控制裝配工差外，那有沒有一種辦法，既能保持惰性環(huán)境，又能讓放電不那么容易發(fā)生？

HTK 80GR/28

LHTG 200-300/30

從帕邢曲線來看，在相同條件下，氮氣的擊穿電壓比氬氣高得多，也就是說更不容易被電離。這和氮氣的分子結構有關，它是雙原子分子，更容易通過振動、轉動這些方式消耗能量，相當于對電子有一定的緩沖作用，所以對等離子體有一定的抑制效果。另外，氮氣在熱性能上也有一點優(yōu)勢。它的導熱性比氬氣略好，在高溫下可以稍微改善爐內的溫度分布，減少局部熱點，從而間接降低放電出現(xiàn)的可能。不過問題也很明確：在2200°C以上，氮氣會和石墨發(fā)生反應，這一點在前面已經提到過。所以在實際使用中，爐內氣氛還是必須以氬氣為主，氮氣只能作為少量的輔助氣體加入。

至于加多少，并沒有一個通用的固定比例，需要結合設備結構和具體工藝來調整。卡博萊特基于多年的應用經驗，已經整理出一套比較成熟的氣氛控制方案（Recipe），并集成在控制系統(tǒng)里。用戶可以根據(jù)自己的實驗情況直接調用或做適當調整。

當然，這種做法對實驗本身是否影響的？如果是碳材料、石墨化過程，或者一些對氮不太敏感的陶瓷材料，少量引入氮氣一般問題不大。但如果是對氮比較敏感的樣品，就需要更加謹慎。比如需要把氮氣比例控制在很低的水平，用于減少電離現(xiàn)象，而不是與材料發(fā)生反應。根據(jù)實際情況，卡博萊特可為您提供技術咨詢。

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