高纯石墨模具是高脉冲放电烧结 (SPS) 工艺中多功能的核心部件。它们同时充当导电加热元件、机械压力容器和精密模具，将电能转化为热能，同时将显著的轴向力传递给样品。
核心要点： 石墨模具不仅仅是一个容器；它是烧结电路中的一个活性部件。它能够导电以实现快速焦耳加热，同时在高压和高温下保持结构完整性，从而能够实现块状材料的快速、均匀致密化。
导电性的作用
从内部产生热量
与使用外部加热元件的传统烧结方法不同，石墨模具是 SPS 中的主要热源。
当施加脉冲直流电 (DC) 时，模具充当电阻元件。它通过自身的内部电阻将电流直接转化为焦耳热。
实现快速升温
由于模具直接传导电流，热量会立即在粉末样品周围产生。
这使得升温速率极快，最大限度地减少材料中的晶粒生长，并与传统的热压相比显著缩短了整体加工时间。
结构完整性和压力传递
充当压力容器
模具充当定义最终产品形状的物理容器。
它必须将松散的粉末固定到位，同时对其施加巨大的机械力，通常将 SPS 系统压头施加在样品上的数十兆帕 (MPa) 的轴向压力传递过去。
耐高温蠕变性
至关重要的是，石墨即使在极端温度下也能保持其机械强度。
主要参考资料指出，石墨的高蠕变抗性确保模具在负载下不会变形，从而保证了最终烧结部件的成型精度和尺寸准确性。
热管理和均匀性
确保均匀的热场
石墨具有优异的导热性，这对于在整个模具中保持恒定的温度至关重要。
这种特性可确保样品中均匀的热场分布，防止可能导致开裂或致密化不均匀的温度梯度。
促进均匀致密化
均匀的热量和均匀传递的压力相结合，产生了“热-力耦合”。
这种耦合促进了粉末颗粒之间的快速扩散，从而获得了具有均匀微观结构的致密块状材料。
理解权衡
化学反应性
虽然石墨是优良的导体和结构材料，但它是碳基的，在高温下可能具有化学反应性。
石墨模具与某些金属或陶瓷粉末直接接触可能导致不希望发生的化学反应（如碳化物形成）或样品粘附在模具壁上。
石墨箔的必要性
为了减轻反应性，通常在粉末和模具之间放置一层薄薄的柔性石墨箔。
该箔片充当润滑剂和化学屏障，可防止反应，并确保烧结好的压坯可以轻松地从模具中取出而不会损坏。
为您的项目做出正确选择
要充分利用 SPS 的全部功能，您必须将工艺参数与石墨工具的能力相匹配。
- 如果您的主要重点是快速致密化：确保您的模具设计最大限度地提高电接触，以利用石墨产生快速焦耳热的能力。
- 如果您的主要重点是尺寸精度：依靠高纯度、高强度的石墨牌号，它们具有优异的抗蠕变性，可在重轴向载荷下保持形状。
SPS 的成功取决于将石墨模具不仅仅视为模具，而是视为热能和机械能传递的活性引擎。
总结表：
| 角色 | 功能机制 | 关键优势 |
|---|---|---|
| 加热元件 | 传导脉冲直流电以产生焦耳热 | 极快的升温速率和减少的晶粒生长 |
| 压力容器 | 将轴向力从压头传递到粉末 | 高密度压坯和精确成型 |
| 精密模具 | 在极端温度下具有高抗蠕变性 | 保持尺寸精度和结构完整性 |
| 热量调节器 | 高导热性 | 确保均匀的热场和一致的微观结构 |
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参考文献
- Priyanka Sharma, M. K. Banerjee. Structural evolution in a synthetically produced ultrafine grained low carbon steel. DOI: 10.1007/s42452-019-1362-y
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
