在无压放电等离子烧结 (P-SPS) 的背景下，特种石墨模具组件主要充当间接加热元件，而不是机械约束。这些圆形模具不直接对钛酸钡样品施加力，而是通过导电脉冲电流产生强烈的焦耳热，然后将热量传递给组件以驱动致密化。
这种方法的核心创新在于将生热与机械压力分离，从而能够快速烧结钛酸钡，同时防止复杂 3D 打印几何形状的结构变形。
间接加热的力学原理
通过焦耳热产生热量
特种石墨模具在 P-SPS 组件中充当主要的导电体。
施加脉冲电流时，电流会流过模具的导电石墨壁。这种电阻会产生大量的热能，称为焦耳热。
将热量传递给组件
由于模具不物理压缩样品，因此热量通过非接触机制传递。
石墨壁中产生的热能通过辐射和传导传递到钛酸钡组件。这确保了样品在不直接接触加压冲头的情况下达到必要的烧结温度。
保持结构完整性
消除机械应力
传统的放电等离子烧结依赖机械压力来辅助致密化，这可能对易碎部件造成破坏。
在 P-SPS 中，石墨模具完全消除了这个变量。它充当一个热室，为烧结提供必要的热量，同时确保样品上没有机械载荷。
保护复杂几何形状
这种方法对于具有复杂设计的钛酸钡组件（例如 3D 打印的多孔结构）特别有利。
通过仅将模具用作加热元件，该工艺可以保留 3D 打印的精细结构。它能够利用放电等离子烧结技术的快速致密化优势，而不会有压碎或变形多孔晶格的风险。
理解权衡
依赖热传递效率
由于模具充当加热元件而不是压机，因此该工艺在很大程度上依赖于从模具到样品的有效热传递。
必须仔细管理石墨模具与钛酸钡组件之间的间隙，以确保一致的辐射和传导。
缺乏压力辅助致密化
去除机械压力可以保护形状，但它也消除了烧结中通常使用的驱动力之一。
因此，该工艺完全依赖于放电等离子方法“加热特性”来实现密度，而不是热量和力的组合。
为您的目标做出正确选择
在决定这种特种 P-SPS 配置是否适合您的钛酸钡应用时，请考虑您的结构要求。
- 如果您的主要重点是保留复杂的 3D 结构：此方法是理想的，因为石墨模具在不施加导致变形的压力的情况下产生必要的热量。
- 如果您的主要重点是多孔材料的快速致密化：这种方法利用了放电等离子烧结加热的速度，同时适应了材料结构的易碎性。
这种特种模具配置有效地将 SPS 工艺从高压固结技术转变为用于精细陶瓷结构的快速非接触式热处理。
总结表：
| 特征 | 传统 SPS | 无压 SPS (P-SPS) |
|---|---|---|
| 模具的主要作用 | 机械约束和压力 | 间接加热元件（焦耳热） |
| 施压 | 高机械载荷 | 零机械载荷 |
| 热传递 | 直接接触传导 | 辐射和传导 |
| 最适合 | 高密度实心颗粒 | 复杂、3D 打印的多孔结构 |
| 结构完整性 | 易碎部件有压碎风险 | 保留精细结构 |
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参考文献
- Subhadip Bhandari, Giorgia Franchin. From rapid prototyping to rapid firing: on the feasibility of high‐speed production for complex BaTiO <sub>3</sub> components. DOI: 10.1111/jace.19950
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
