氮化硼（BN）衬套在模具组件中起到关键的电绝缘作用。在混合场辅助烧结技术（FAST/SPS）中，标准的石墨模具是导电的。为了成功进行闪烧结，需要插入BN衬套以防止电流通过模具壁发生短路，迫使其直接通过样品。
闪烧结的核心要求是将高电场直接施加到样品上。没有非导电的BN衬套，电流会通过石墨模具走电阻最小的路径，从而有效地绕过样品，阻止闪烧现象的发生。
组件的物理原理
导电性挑战
石墨因其热稳定性而成为SPS模具的标准材料。然而，石墨也具有导电性。
在没有绝缘的标准设置中，电流很容易通过模具外壳。这会在您试图烧结的样品周围形成“短路”。
电流方向为何重要
闪烧结与常规烧结不同。它依赖于触发陶瓷材料本身内部电导率的快速、非线性增加。
为了实现这一点，必须使样品承受高电场。如果电流通过模具绕过样品，将永远无法达到触发“闪光”所需的阈值。
BN衬套的功能
氮化硼是一种电介质（绝缘）陶瓷。通过在样品和石墨模具之间插入BN衬套，您就创建了一个不可渗透的电屏障。
这种配置迫使电流仅通过冲头-样品-冲头路径传输。这种电能的集中是闪烧结过程所需的催化剂。
区分模具层
BN衬套与石墨箔
区分BN衬套与通常在同一组件中使用的石墨箔至关重要。
石墨箔充当物理隔离层，防止陶瓷粉末与模具壁发生反应或粘连。虽然箔片有助于脱模和轻微密封，但它不提供闪烧结所需的电绝缘。
外部隔热
您还可以在模具外部包裹石墨毡。
这纯粹用于隔热，以减少辐射热损失并提高烧结体内的温度均匀性。与箔片一样，这可以优化热环境，但不能管理内部电流路径。
理解权衡
材料限制与压力
虽然石墨/BN组件对于电场控制至关重要，但它存在机械限制。
石墨通常不适用于极高压应用。如果您的工艺需要大约300 MPa的压力，石墨模具可能会失效。
钢替代品
对于在较低温度（通常低于600°C）下需要高压的工艺，例如ZnO的冷烧结，高强度工具钢模具是更优的选择。
钢材比石墨更能承受显著的机械应力。然而，这是一个权衡：钢材通常仅限于比石墨的耐高温能力低的温度范围。
为您的目标做出正确选择
为确保您的烧结实验成功，请根据您的主要致密化机制选择模具配置：
- 如果您的主要重点是闪烧结：您必须使用带氮化硼衬套的石墨模具，以迫使电流通过样品。
- 如果您的主要重点是高压致密化：您应该选择工具钢模具（如果<600°C），以承受高达300 MPa的机械应力。
- 如果您的主要重点是标准SPS：您通常使用石墨箔进行保护，使用石墨毡进行温度均匀性，但如果电流通过模具是可以接受的，则BN衬套不是必需的。
控制电流路径，就能控制闪烧的成功。
总结表：
| 组件 | 材料 | 主要功能 | 电学性质 |
|---|---|---|---|
| 衬套 | 氮化硼（BN） | 迫使电流通过样品进行闪烧结 | 绝缘体（电介质） |
| 模具体 | 石墨 | 提供热稳定性和结构 | 导电 |
| 箔 | 石墨箔 | 防止样品粘附并便于脱模 | 导电 |
| 绝缘 | 石墨毡 | 减少热量损失并提高均匀性 | 导电 |
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参考文献
- Martin Bram, Olivier Guillon. Application of Electric Current‐Assisted Sintering Techniques for the Processing of Advanced Materials. DOI: 10.1002/adem.202000051
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
