石墨纸和碳毡在放电等离子烧结 (SPS) 设备中充当重要的控制屏障，特别用于管理机械界面和热量控制。石墨纸放置在 Al2O3–cBN 粉末和模具内壁之间，充当脱模剂，可防止化学粘附和机械结合。同时，碳毡包裹在模具外部，用于隔热系统，最大限度地减少辐射热损失并稳定内部温度分布。
核心见解：在 SPS 的高能环境中，石墨模具既是加热元件又是压力容器。这些耗材对于将样品与模具在物理上分离同时保持热量至关重要，从而确保最终复合材料既结构牢固又易于拆卸。
保护模具和样品完整性
防止材料粘附
在达到 1300°C 的烧结温度下，Al2O3–cBN 粉末极易与石墨模具壁发生反应或粘附。
石墨纸充当牺牲界面层。将其插入粉末和模具之间，即可消除直接接触。这确保烧结产品不会熔焊到工具上，从而在不损坏复合材料表面 的情况下方便地取出样品。
减少工具磨损
SPS 模具是精密加工的高纯度部件，更换成本高昂。
如果没有保护屏障，陶瓷复合粉末的摩擦和粘附将迅速损坏模具内壁。石墨纸吸收了这种机械应力。这显著延长了模具的使用寿命，并在多次循环中保持其尺寸公差。
管理热力学
最大限度地减少辐射热损失
SPS 工艺通过脉冲电流直接在模具内产生热量，但在高温下，通过辐射会损失大量能量到真空室环境中。
碳毡（保温棉）充当包裹在模具周围的热毯。它大大减少了这种辐射损失。这提高了工艺的整体能源效率，使系统能够以较低的功率输入达到 1300°C 等目标温度。
确保热均匀性
除了简单的效率之外，碳毡最关键的作用是维持均匀的热场。
在快速烧结过程中，温度梯度（样品中心和边缘之间的温差）可能导致致密化不均匀或开裂。碳毡绝缘确保热量均匀地保留在模具周围。这促进了 Al2O3–cBN 复合材料的均匀烧结，这对于获得一致的材料性能至关重要。
操作注意事项和权衡
尺寸间隙
虽然石墨纸很薄，但它占据了模具组件中的物理空间。
在设计模具和冲头时，必须考虑石墨纸层的厚度。如果未将此因素纳入公差中，可能会导致配合过紧，从而在施加高压（高达 75 MPa）时可能导致冲头卡死。
绝缘与冷却速度
碳毡在保持热量方面表现出色，有助于致密化。
但是，如果您的特定材料配方需要极快的冷却速度来锁定特定的微观结构，那么厚重的绝缘可能会成为障碍。您必须平衡碳毡层的厚度，以便在关闭电流后能够实现足够的冷却速率。
为您的目标做出正确的选择
这些耗材的使用应根据您的具体加工重点进行定制：
- 如果您的主要重点是样品一致性：优先考虑碳毡的精确应用，以确保热场完全均匀，防止 Al2O3–cBN 内部应力和不均匀致密化。
- 如果您的主要重点是工具寿命：确保石墨纸完全覆盖粉末和模具之间的所有接触表面，以防止即使是轻微的粘附也可能导致模具壁出现凹坑或划痕。
通过有效利用这些耗材，您可以将 SPS 工艺从原始加热事件转变为受控的精密制造操作。
摘要表：
| 耗材 | 主要功能 | SPS 中的关键优势 |
|---|---|---|
| 石墨纸 | 脱模剂和界面 | 防止化学粘附，确保易于拆卸，并减少模具磨损。 |
| 碳毡 | 热绝缘 | 最大限度地减少辐射热损失，提高能源效率，并确保均匀烧结。 |
| 石墨模具 | 加热/压力容器 | 既是电阻加热元件又是结构压力腔。 |
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参考文献
- Piotr Klimczyk, Simo‐Pekka Hannula. Al2O3–cBN composites sintered by SPS and HPHT methods. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.01.027
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
