高纯石墨模具在二硼化钛（TiB2）的致密化过程中充当活性热和结构界面。其主要功能是作为粉末的精确成型容器和传递压力的坚固介质。在放电等离子烧结（SPS）中，模具超越了其被动的结构作用，成为主要的加热元件，将电流直接转化为快速致密化所需的能量。
核心见解： 在SPS加工中，石墨模具不仅仅是一个容器；它是能量输送系统的活性组成部分。通过充当焦耳加热器，它能够实现烧结TiB2至高密度所需的极高加热速率，同时保持对机械韧性至关重要的细晶粒结构。
机械和结构作用
作为成型容器
高纯石墨模具的基本作用是定义最终陶瓷部件的几何形状。 它充当松散的TiB2粉末的容纳容器，即使在极端热负荷下也能保持尺寸稳定性。 选择石墨是因为它在烧结温度（通常为1900–2000°C）下仍能保持高强度，而金属模具在此温度下会失效。
压力传递
TiB2的致密化需要显著的机械力来消除孔隙。 石墨冲头充当压力传递介质，将液压缸的力直接传递到陶瓷粉末。 由于石墨充当刚性桥梁，因此压力施加均匀，这对于实现样品整体均匀密度至关重要。
SPS与热压中的热功能
模具作为加热元件（SPS特有）
在放电等离子烧结中，模具起着动态的电学作用。 它导通脉冲电流，通过焦耳加热产生热量。 这使得热能可以直接在样品附近和内部产生，而不是等待热量从外部元件辐射过来。
实现快速加热速率
由于模具在SPS中充当加热器，该系统可以实现每分钟数百度的加热速率。 这种快速升温最大限度地减少了TiB2在高温度区域停留的时间。 对于TiB2来说，短烧结时间至关重要，因为它们可以防止晶粒粗化，确保最终陶瓷保持优异的硬度和韧性。
导热和均匀性
在传统的や热压中，模具充当热传导桥梁，将热量从外部元件传递到粉末。 石墨的高导热性确保热量均匀扩散到整个陶瓷盘中。 均匀加热可防止在冷却阶段可能导致内部应力、翘曲或开裂的热梯度。
理解权衡
化学反应性和扩散
虽然石墨在化学上是稳定的，但TiB2在高温下具有反应性。 陶瓷粉末与模具之间的直接接触可能导致碳扩散或化学粘附。 为了缓解这种情况，通常使用石墨箔作为衬里，充当脱模剂和扩散屏障，保护样品纯度和延长模具寿命。
氧化风险
石墨在高温下暴露于空气时会迅速氧化。 因此，这些模具只能在受控环境（如真空或惰性气体气氛（氩气））中正常工作。 操作员必须确保SPS或热压室的真空完整性，才能有效利用石墨工具。
为您的目标做出正确选择
石墨模具的具体用途会根据您的优先事项是速度还是体积而变化。
- 如果您的主要重点是微观结构控制（SPS）：利用模具作为加热元件的能力，实现快速致密化速率，以保持细晶粒尺寸。
- 如果您的主要重点是部件均匀性（热压）：依靠模具的高导热性充当缓冲器，确保热量均匀分布，以防止大型坯料开裂。
通过将石墨模具视为烧结动力学的积极参与者，而不仅仅是被动的容器，您可以更好地操纵加工参数，以优化TiB2陶瓷的性能。
摘要表：
| 功能 | 在热压（HP）中的作用 | 在放电等离子烧结（SPS）中的作用 |
|---|---|---|
| 加热机制 | 来自外部源的被动热传导桥梁 | 活性焦耳加热元件（内部产生） |
| 压力传递 | 通过刚性冲头均匀分布力 | 直接压力传递以确保致密化 |
| 晶粒控制 | 加热速度较慢；晶粒生长风险较高 | 超快速加热；保持细晶粒结构 |
| 结构支撑 | 在2000°C以上保持几何形状 | 保持几何形状和导电性 |
| 气氛 | 需要真空/惰性气体以防止氧化 | 需要真空/惰性气体以防止氧化 |
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参考文献
- Xinran Lv, Gang Yu. Review on the Development of Titanium Diboride Ceramics. DOI: 10.21926/rpm.2402009
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
