等静压石墨是场辅助烧结技术（FAST/SPS）中冲头和模具的标准材料，因为它能同时满足两个功能：既是高效的加热元件，又是坚固的压力容器。其选择主要基于它能够传导焦耳加热所需的电流，同时在高达2700°C的温度下保持甚至增强其机械强度。
等静压石墨的关键价值在于其在高温下的矛盾行为：与金属在受热时软化不同，石墨的强度会随着温度的升高而增加。这一点，加上其高导热性和导电性，使其能够承受脉冲电流烧结过程中固有的极端机械和热应力。
电学和热学性质的融合
促进焦耳加热
在FAST/SPS工艺中，模具不仅仅是一个容器；它是电路的活动组成部分。等静压石墨具有优异的导电性，能够有效地使脉冲直流电通过冲头和模具组件。
这种导电性促进了在模具壁和样品内部的快速焦耳加热。没有这种特性，FAST/SPS的核心加热机制将无法实现。
管理快速的温度变化
FAST/SPS以其快速的加热和冷却速率而闻名。等静压石墨具有低热膨胀系数（CTE）。
这一特性对于防止热冲击至关重要。它确保模具组件不会过度或不均匀地膨胀，否则在快速热循环过程中会导致开裂或灾难性失效。
极端温度下的机械完整性
反向强度现象
等静压石墨最独特的优势也许是其对热的响应。虽然大多数结构材料在温度升高时会失去强度，但这种材料的强度在高达2700°C时会随温度升高而增加。
这一特性提供了关键的安全裕度。它确保模具即使在其他材料会失效的超高温下操作，也能在不发生变形的情况下承受烧结压力。
承受机械载荷
FAST/SPS中的冲头和模具必须将显著的单轴压力传递到粉末压坯上。石墨必须足够刚性以准确地传递这种力。
由于等静压石墨在高热负荷下保持其结构完整性，它确保施加的压力能够使样品致密化，而不是导致工具变形。
制造和操作实用性
精密加工
生产近净形零件通常需要复杂的模具几何形状。等静压石墨以其易于加工而著称。
这使得能够以较低的成本制造出具有严格公差的高精度冲头和模具。与较硬的难熔金属相比，它缩短了与工具准备相关的交货时间和费用。
化学稳定性
烧结环境是恶劣且具有反应性的。等静压石墨是化学稳定的，这对于保持烧结样品的纯度至关重要。
这种稳定性降低了模具材料与粉末压坯发生反应的风险，确保了结果的一致性并保护了工具可重复使用。
理解权衡
高温限制
虽然石墨很坚固，但参考资料指出其强度增加的上限为2700°C。超过此阈值操作可能会损害其结构优势或导致升华，具体取决于真空或气氛条件。
平衡导电性和绝缘性
石墨是导体，但工艺需要平衡。如果石墨相对于样品来说导电性过强，电流可能会完全绕过样品。提到的“优异”导电性对于一般工艺是理想的，但在实验设计中必须考虑特定的样品电阻率。
为您的目标做出正确选择
在设计FAST/SPS工具时，等静压石墨是成功的基石。以下是如何根据您的具体目标利用其特性的方法：
- 如果您的主要重点是高温烧结：依靠石墨独特的在高达2700°C时强度增加的能力，在金属会失效的范围内安全地施加压力。
- 如果您的主要重点是复杂零件几何形状：利用材料易于加工的特性来制造复杂的模具形状，而不会产生高昂的制造成本。
- 如果您的主要重点是工艺速度：利用材料的高导热性和低热膨胀性来提高加热速率，而不会冒热冲击的风险。
等静压石墨不仅仅是一种模具材料；它是一种赋能技术，能够同时施加现代烧结所必需的高电流和高压力。
总结表：
| 特性 | 对FAST/SPS工艺的好处 |
|---|---|
| 反向强度现象 | 强度在高达2700°C时增加，确保压力下的完整性 |
| 高导电性 | 促进模具和样品内部的高效焦耳加热 |
| 低热膨胀 | 防止快速循环过程中的热冲击和开裂 |
| 优异的加工性 | 能够以较低的成本制造复杂、高精度的几何形状 |
| 化学稳定性 | 在恶劣环境中保持样品纯度并防止反应 |
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参考文献
- Alexander M. Laptev, Olivier Guillon. Tooling in Spark Plasma Sintering Technology: Design, Optimization, and Application. DOI: 10.1002/adem.202301391
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
