高强度石墨模具在硫化铜基材料的火花等离子烧结（SPS）过程中充当核心活性部件，同时充当成型容器、加热元件和压力传递介质。这些模具负责将脉冲电流转化为热能，同时在高轴向载荷下保持结构完整性。这种双重功能对于实现有效的硫化铜块体材料所需的高相对密度至关重要。
核心要点 SPS中的石墨模具不是一个被动的容器，而是一个主动的电热元件。它通过脉冲电流的电阻产生焦耳热，并同时传递压力，从而实现快速、均匀的致密化，以保持硫化铜的微观结构完整性。
电热转换的作用
作为电阻器工作
在SPS过程中，模具充当关键的电热转换元件。石墨材料充当电阻器；当脉冲电流通过它时，模具会产生显著的内部热量（焦耳加热）。
高效传热
一旦模具壁内产生热量，它就会直接传递到内部的硫化铜粉末。石墨的高导电性和导热性确保了这种传递的高效和快速。
确保温度均匀性
模具的关键功能之一是创造均匀的热场。通过均匀分布热量，石墨模具确保样品中的温度保持一致，这对于防止可能导致材料性能不一致的梯度至关重要。
载荷下的结构功能
成型腔
在物理上，高强度石墨模具提供了样品成型腔。它定义了块体材料的最终形状和尺寸，在烧结周期中将松散的硫化铜粉末固定在适当位置。
压力传递
模具必须承受并传递高轴向压力。它充当施加机械力于粉末的介质，促进颗粒重排和塑性变形。
高温稳定性
石墨即使在烧结所需的高温下也能保持其机械强度并抵抗蠕变（变形）。这确保了在整个过程中保持模塑精度，防止样品变形或失去尺寸精度。
对硫化铜性能的影响
实现高相对密度
均匀加热和直接施压的结合使硫化铜基材料能够达到高相对密度。这消除了孔隙，这对于最终产品的机械和电气性能至关重要。
抑制晶粒粗化
虽然主要功能是致密化，但石墨模具实现的快速加热速率最大限度地减少了材料在峰值温度下的停留时间。这有助于抑制晶粒粗化，保留对硫化铜热电性能至关重要的细微结构特征（如纳米沉淀物）。
理解权衡
机械极限
虽然高强度石墨坚固耐用，但与用于低温过程的金属相比，其机械强度较低。超过石墨极限的过大压力会导致模具破裂，从而限制了SPS过程中可以施加的最大压力。
消耗性
石墨模具在重复循环中会磨损和化学降解。它们通常被视为消耗品，需要频繁更换，以确保表面光洁度和尺寸精度不受影响。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高高强度石墨模具在您特定应用中的有效性：
- 如果您的主要重点是最大密度：优先考虑模具承受更高轴向压力的能力，以机械强制颗粒压实。
- 如果您的主要重点是微观结构保持：利用模具的电热效率来实现快速加热速率，减少保温时间以防止晶粒生长。
石墨模具充当热能和机械力汇聚的关键界面，从而决定了您的硫化铜材料的质量。
总结表：
| 功能 | 描述 | 对硫化铜的影响 |
|---|---|---|
| 电热转换 | 作为电阻器，通过脉冲电流产生焦耳热。 | 确保快速、均匀加热，并防止热梯度。 |
| 压力传递 | 将轴向机械力传递给材料。 | 促进颗粒重排，以实现最大的相对密度。 |
| 结构约束 | 在高温下提供稳定的成型腔。 | 定义样品形状，同时防止变形或晶粒粗化。 |
| 材料完整性 | 高导热性和抗蠕变性。 | 保持尺寸精度并保留微观结构特征。 |
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参考文献
- Yixin Zhang, Zhen‐Hua Ge. Synergistically optimized electron and phonon transport in high-performance copper sulfides thermoelectric materials via one-pot modulation. DOI: 10.1038/s41467-024-47148-0
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
