高温高压 (HPHT) 烧结设备是强制性的，用于制造立方氮化硼 (cBN) 复合材料，因为 cBN 在标准压力下是热力学不稳定的。如果不施加超高压力（通常为 5-8 GPa），烧结所需的高温会导致 cBN 变回六方氮化硼 (hBN)，从而破坏材料的超硬性能。
制造 cBN 复合材料的核心挑战在于，粘合材料所需的热量也会引发相变，变成更软的形式。HPHT 设备通过创建“热力学稳定区”来解决这个问题，在该区域，极高的压力迫使晶体结构保持立方状态，同时实现快速致密化。
保持超硬相
HPHT 设备的主要功能是抵消 cBN 在高温下退化的自然趋势。
亚稳态问题
立方氮化硼是一种亚稳态相。虽然它非常坚硬，但它自然会寻求转变为更稳定、更软的状态，称为六方氮化硼 (hBN)。
防止反向转变
要将 cBN 颗粒粘合成立体复合材料，必须对其进行加热，通常加热到2000 °C 左右。在常规压力下，这种热量会立即引发转变为 hBN。
压力解决方案
HPHT 设备，例如环形压力机，可施加巨大的压力（高达7.5 GPa 或更高）。这种极高的压力稳定了立方晶体结构，即使在烧结温度下也能防止其变回六方相。
实现高密度
除了相稳定性之外，HPHT 设备对于实现工业应用所需的结构完整性至关重要。
塑性变形
在常规烧结中，材料通过扩散致密化，这是一个缓慢的过程。在 HPHT 烧结中，压力如此之高，以至于塑性变形成为物质传输的主要机制。
机械致密化
布里奇曼型设备施加准静水压，物理上将材料颗粒压在一起。这使得复合材料能够实现近乎完全的致密化。
加工效率
由于压力通过机械方式驱动致密化，因此与大气烧结方法相比，通常可以更有效地形成有效的复合材料。
了解限制
虽然 HPHT 是必需的，但它也引入了特定的操作限制，这些限制决定了制造过程。
设备复杂性
要达到 5-8 GPa 的压力，需要像布里奇曼型设备这样庞大而专业的机械。与标准烧结炉相比，这增加了资本密集度和制造过程的复杂性。
样品体积限制
产生如此高压的物理原理通常会限制样品空间的体积。这限制了单次运行可生产的 cBN 复合材料的物理尺寸。
为您的目标做出正确的选择
在评估 cBN 复合材料的制造要求时，请考虑以下原则：
- 如果您的主要关注点是保持超硬性能：您必须优先考虑压力产生（5 GPa 以上），以严格将 cBN 保持在其热力学稳定区内，并防止 hBN 的形成。
- 如果您的主要关注点是结构密度：您依赖 HPHT 环境来诱导塑性变形，确保最终部件完全致密且无孔。
HPHT 不仅仅是 cBN 的优化工具；它是防止材料在加工过程中自身晶体结构被破坏的基本要求。
总结表：
| 特征 | 标准烧结 | HPHT 烧结 |
|---|---|---|
| 压力范围 | 大气压至低压 | 5.0 – 8.0 GPa |
| 相稳定性 | cBN 转变为 hBN 的风险 | 保持立方晶体结构 |
| 致密化机制 | 扩散（慢） | 塑性变形（快） |
| 材料硬度 | 硬度显著损失 | 保持超硬性能 |
| 设备类型 | 标准真空/马弗炉 | 环形或布里奇曼型压力机 |
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参考文献
- Kinga Momot, Agnieszka Gubernat. From Powders to Performance—A Comprehensive Study of Two Advanced Cutting Tool Materials Sintered with Pressure Assisted Methods. DOI: 10.3390/ma18020461
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
