石墨箔主要起到双重作用：作为保护屏障和热传导介质。它位于熵合金（HEA）粉末和石墨模具壁之间，起到脱模剂的作用，防止合金在极端高温和高压下与模具发生化学键合或粘连。同时，它能够促进样品均匀受热，确保烧结均匀，并保护昂贵的模具部件免受磨损和腐蚀。
石墨箔作为牺牲层，将样品与容器隔离开，从而保持可重复使用的模具的几何形状，并确保最终合金产品的结构完整性。
模具保护的力学原理
热压机内部的工作环境涉及高机械载荷和高温。如果没有中间层，这些条件将导致模具或样品发生灾难性失效。
作为扩散屏障
在高温烧结过程中，金属粉末会变得高度活泼。它们自然倾向于扩散到相邻的多孔表面。
石墨箔起到物理扩散屏障的作用。它阻止合金粉末与模具壁发生化学反应，防止在模具表面形成碳化物或其他不希望产生的反应产物。
防止机械粘附
熵合金在巨大的压力下进行烧结以达到密度。这种压力会将粉末挤入刚性石墨模具的微观孔隙中。
石墨箔起到润滑剂和脱模剂的作用。它能防止机械咬合，确保烧结后的“压块”不会与模具焊合。这样可以轻松取出样品，而不会损坏样品边缘或模具壁。
热和电的调控
除了物理隔离，石墨箔在烧结过程的热力学中也起着积极作用。
确保均匀加热
在热压过程中，温度梯度可能导致熵合金开裂或产生不均匀的微观结构。
石墨箔增强了界面处的导热性。它填补了锯齿状粉末颗粒与光滑模具壁之间的微观间隙，促进热量均匀传递到样品中心。
改善接触界面
在场辅助烧结技术（FAST）或火花等离子体烧结（SPS）等技术中，电气接触至关重要。
石墨箔充当柔性导电层。它能够补偿表面粗糙度，降低接触电阻，并确保整个组件中的电流（以及焦耳加热）均匀流动。
理解权衡
尽管石墨箔至关重要，但其应用需要精确操作，以避免在最终产品中引入缺陷。
表面光洁度影响
由于石墨箔是柔性的，箔材上的任何纹理或褶皱都会转移到烧结合金的表面。
如果石墨箔未平整施加，最终产品可能需要额外的机加工来去除由褶皱箔材引起的表面缺陷。
尺寸公差
石墨箔具有有限的厚度（通常约为0.1毫米）。
在追求精确的净尺寸制造时，您必须在模具设计中考虑这个附加厚度。未能计算石墨箔的体积可能导致烧结圆盘的最终直径出现轻微偏差。
根据目标做出正确选择
您优先考虑的具体功能取决于您项目的限制。
- 如果您的主要关注点是模具寿命：优先使用高质量的石墨箔以防止化学腐蚀，这可以延长昂贵的高强度石墨模具的使用寿命。
- 如果您的主要关注点是样品纯度：确保石墨箔形成完整的密封，以充当扩散屏障，防止模具本身的碳污染。
石墨箔是关键的牺牲部件，它将破坏性的高压环境转化为可控、可重复的制造过程。
总结表：
| 功能 | 机制 | 对烧结的好处 |
|---|---|---|
| 脱模剂 | 防止化学键合和机械咬合 | 易于样品取出和模具重复使用 |
| 扩散屏障 | 阻止金属粉末与石墨反应 | 保持样品高纯度并防止模具腐蚀 |
| 热传导介质 | 填补粉末和模具壁之间的间隙 | 确保均匀加热并防止微观结构开裂 |
| 电气接口 | 降低SPS/FAST方法中的接触电阻 | 促进均匀的电流和焦耳加热 |
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参考文献
- А. Yu. Ivannikov, Mikhail Anatolievich Sevostyanov. Fabrication, Microstructure, and Physico-Mechanical Properties of Fe–Cr–Ni–Mo–W High-Entropy Alloys from Elemental Powders. DOI: 10.3390/met12101764
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
