在场辅助烧结技术 (FAST/SPS) 工艺中，石墨模具充当工艺的引擎，而不仅仅是容器。 除了定义样品的几何形状外，其主要功能是作为产生焦耳热的电阻加热元件，并充当能够在高温下传递巨大液压的高强度机械活塞。
核心见解： 石墨模具是一种多功能活性组件，可同时管理热能产生、导电和机械压缩。它能够协同执行这些角色，正是 FAST/SPS 实现快速致密化和高理论密度。
模具作为活性热组件
产生焦耳热
在标准烧结中，模具由外部炉被动加热。在 FAST/SPS 中，石墨模具是加热元件。
它具有特定的电阻特性，能够将高脉冲电流直接转化为焦耳热。这使得系统能够从外部快速有效地加热样品。
确保热均匀性
模具充当热导体，将热量均匀分布到整个样品。
通过引导电流和产生的热流，石墨确保温度分布在整个粉末压坯中保持均匀。这对于防止局部热点或不均匀烧结至关重要。
应力下的机械完整性
传递液压
模具充当系统液压缸产生的力的主要传递媒介。
它必须有效地将机械压力传递到粉末样品，以促进固结。这种压力对于实现高理论密度（通常超过 98%）的块状材料至关重要。
承受高温变形
模具必须具有出色的高温强度。
在承受高达100 MPa的压力和通常超过 750°C 的温度时，它需要保持其结构完整性和形状。标准材料在这种热应力和机械应力的组合下会发生变形或坍塌。
化学和环境稳定性
防止样品污染
除了热量和压力，模具在工艺环境（通常是真空）中充当化学惰性屏障。
对于陶瓷或电解质等敏感材料，石墨不得与样品发生反应。这种惰性对于保证烧结材料的纯度和最终性能至关重要。
确定工艺气氛
石墨的性质决定了机器的操作环境。
由于石墨在真空中稳定，但在高温下会与氧气反应，因此模具在受控的真空或惰性气体气氛中效果最佳。这可以保护工具和样品免受氧化。
操作注意事项和限制
界面屏障的必要性
虽然石墨通常是惰性的，但与某些粉末直接接触仍可能导致粘附或扩散。
为缓解这种情况，通常会引入柔性石墨纸作为第二层。它起到润滑剂和扩散屏障的作用，防止样品与模具壁粘合，从而便于取出并延长模具寿命。
施加压力的限制
石墨很坚固，但与金属相比也很脆。
用户必须在提高密度与所用石墨牌号的机械极限之间取得平衡。超过压力阈值（例如，超出特定模具几何形状的额定 100 MPa 范围）有导致工具在加工过程中发生灾难性断裂的风险。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高 FAST/SPS 设置的有效性，您必须根据您的具体材料结果来选择您的工具策略。
- 如果您的主要重点是高密度： 优先选择具有最大高温强度的石墨牌号，以便安全地利用接近 100 MPa 上限的压力。
- 如果您的主要重点是材料纯度： 确保模具表面与您的粉末在化学上兼容，并使用石墨纸屏障防止碳扩散到样品中。
最终，石墨模具是电流、热能和机械力汇聚的关键界面，将松散的粉末转化为固体、高性能的材料。
摘要表：
| 功能 | 描述 | 对烧结的影响 |
|---|---|---|
| 焦耳加热 | 将脉冲电流转化为热能 | 实现超快加热速率 |
| 压力传递 | 传递液压（高达 100 MPa） | 实现 >98% 的理论密度 |
| 热均匀性 | 将热量均匀分布到粉末中 | 防止热点和结构缺陷 |
| 化学惰性 | 在真空/惰性气体中充当屏障 | 保证样品纯度和性能 |
| 结构支撑 | 在 >750°C 下保持完整性 | 确保在应力下精确成型 |
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参考文献
- Martin Bram, Olivier Guillon. Application of Electric Current‐Assisted Sintering Techniques for the Processing of Advanced Materials. DOI: 10.1002/adem.202000051
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
