高强度石墨模具在铜-碳化硅复合材料的放电等离子烧结（SPS）过程中同时发挥着两个关键作用。它们既是定义样品形状的物理容器，又独特地充当主要的电阻加热元件，将电能直接转化为热能。
这种双重作用对于烧结铜和碳化硅形成致密、高质量复合材料所需的“热-力耦合”至关重要。通过传导高电流同时传递巨大的机械压力，模具迫使铜基体填充颗粒间的间隙，确保结构完整性。
核心要点 SPS的有效性取决于石墨模具同时作为加热电阻体和高压活塞的能力。这种协同作用能够精确地施加热和压力（高达150 MPa），这是消除孔隙率并实现铜-碳化硅复合材料完全致密化的决定性因素。
石墨在热处理中的作用
充当主动加热元件
与传统烧结中模具由外部炉被动加热不同，SPS中的石墨模具是加热系统的主动组成部分。
由于高强度石墨具有优异的导电性，它允许SPS特有的脉冲电流通过。
这种电阻将电能直接转化为热量，从而实现快速加热速率，并直接在样品周围进行精确的温度控制。
促进热-力耦合
石墨模具创造了一个同时施加热能和机械力的环境。
这种“耦合”对于铜-碳化硅复合材料至关重要。热量软化铜基体，而压力则迫使其重新排列。
其结果是形成一种高效的工艺，比传统方法更快地使材料致密化。
机械功能和致密化
传递高轴向压力
模具是机械载荷的主要传递载体，能够承受高达150 MPa的压力。
它必须在这些载荷下保持结构刚性，以确保压力均匀地传递到内部的粉末混合物中。
这种均匀传递对于防止最终块状材料内部出现密度梯度至关重要。
消除孔隙率
模具机械作用的最终目标是确保铜基体完全填充碳化硅颗粒之间的间隙。
在铜受热软化时维持高压，模具迫使基体填充“颗粒间隙”。
这显著减少了孔隙率，从而得到具有优异机械性能的致密、实心块状材料。
操作限制和要求
高强度的必要性
并非所有石墨都适用于此工艺；参考文献明确指定了“高强度”石墨。
标准石墨在完全致密化铜-碳化硅所需的150 MPa压力下可能会断裂或变形。
如果模具变形，样品将失去其几何精度，内部密度也将变得不一致。
材料兼容性
石墨必须具有高纯度才能作为稳定的容器。
虽然它充当导体，但它也必须充当一个不反应的容器，保持样品的形状而不污染铜-碳化硅界面。
为您的目标做出正确选择
为了最大化您的铜-碳化硅复合材料的质量，请考虑如何利用模具的功能：
- 如果您的主要重点是致密化：将施加的压力最大化至石墨模具的150 MPa极限，以迫使铜基体填充最小的颗粒间空隙。
- 如果您的主要重点是工艺效率：利用石墨的高导电性来提高加热速率，缩短达到完全烧结状态所需的总保温时间。
- 如果您的主要重点是几何精度：确保所选的石墨牌号专门用于高强度应用，以防止模具在热负荷下变形。
通过利用高强度石墨的导电性和机械性能，您将模具从简单的容器转变为微观结构控制的主动工具。
总结表：
| 功能 | 描述 | 对复合材料质量的影响 |
|---|---|---|
| 主动加热 | 通过电阻将脉冲电流转化为热量 | 实现快速加热和精确的温度控制 |
| 压力传递 | 承受并传递高达150 MPa的轴向载荷 | 迫使铜基体填充间隙以消除孔隙率 |
| 结构约束 | 定义样品的物理形状 | 确保几何精度并防止材料泄漏 |
| 热-力耦合 | 同时施加热量和压力 | 加速致密化并确保微观结构完整性 |
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参考文献
- Piotr Bazarnik, Terence G. Langdon. Effect of spark plasma sintering and high-pressure torsion on the microstructural and mechanical properties of a Cu–SiC composite. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138350
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
