在火花等离子烧结 (SPS) 工艺中，高纯石墨模具同时充当电阻加热元件、机械压力容器和成型容器。石墨纸充当粉末与模具之间的关键界面层，可防止化学粘附，同时确保电流和热量的均匀分布。
核心见解：SPS 工艺依赖于“热-力耦合”，即同时施加热量和压力。石墨模具并非被动容器；它是产生热量（通过焦耳加热）并施加材料完全致密化所需的压力的活性部件。
高纯石墨模具的三重功能
高纯石墨之所以被选用于 SPS，是因为它具有高导电性、高导热性和高温机械强度独特组合。在整个循环中，它承担三种不同的角色。
1. 电阻加热元件
与模具位于独立炉内的传统烧结不同，SPS 中的石墨模具是电路的一部分。 脉冲电流（通常为数千安培）直接流过石墨。 由于石墨充当电阻器，该电流会产生显著的焦耳热，从而快速提高模具和内部样品的温度。
2. 传压介质
SPS 需要高单轴压力来致密化粉末颗粒。 石墨模具，特别是冲头，将 SPS 机器的机械力传递到样品。 参考资料表明，这些模具能够承受和传递60 MPa 或更高的压力，即使在快速加热速率下也能促进原子扩散和致密化。
3. 成型容器
模具定义了烧结组件的最终物理几何形状。 它必须在承受极端热应力和机械应力的情况下保持尺寸稳定性和结构完整性。 石墨的高纯度在这里至关重要，以防止杂质扩散到样品基体中。
石墨纸的关键作用
石墨纸是一种薄而柔韧的箔，放置在原材料粉末与石墨模具内壁之间作为衬里。它的存在对于工艺控制和样品质量至关重要。
1. 防止粘附和反应
在高温烧结下，陶瓷或金属粉末可能会与刚性石墨模具发生化学反应或物理结合。 石墨纸充当牺牲性的隔离层。 这可以防止样品粘附在模具上，确保样品可以轻松取出（脱模），而不会损坏模具表面或导致其破裂。
2. 确保均匀分布
石墨纸有助于桥接模具冲头与粉末之间的微观间隙。 这确保了均匀的接触界面，使电流和热量能够均匀地流入样品。 没有这一层，局部热点或不均匀的压力梯度可能导致最终材料出现缺陷。
理解权衡
虽然石墨是 SPS 的标准材料，但依赖它会带来您必须管理的特定操作限制。
化学反应性
石墨是碳，在高温下，它会与某些活性粉末（如钛或硅）反应形成碳化物。 为什么这很重要：虽然石墨纸可以在一定程度上缓解这种情况，但表面污染的风险仍然存在。在某些情况下，石墨纸会涂覆氮化硼，以提供惰性屏障并进一步抑制碳扩散。
机械限制
石墨具有优异的高温强度，但它很脆。 为什么这很重要：石墨模具在断裂前能承受的压力是有限的（通常为数十至数百兆帕）。如果您的项目需要兆帕范围内的压力，石墨模具则不足以满足要求，必须考虑替代的模具材料。
为您的目标做出正确选择
在优化 SPS 设置时，了解这些组件可以帮助您有效地排除故障。
- 如果您的主要重点是快速致密化：确保您使用的是高密度、高强度的石墨模具，能够承受最大压力而不变形。
- 如果您的主要重点是表面质量：严格注意石墨纸；确保其放置正确，并在检测到表面反应层或粘附时考虑使用涂层石墨纸。
火花等离子烧结的成功取决于模具充当高效的能量传导器，而石墨纸充当保护屏障。
总结表：
| 组件 | 主要作用 | 关键优势 |
|---|---|---|
| 高纯石墨模具 | 电阻加热、压力容器、成型容器 | 实现快速焦耳加热和高单轴压力传输。 |
| 石墨纸 | 隔离层、电流/热量分配器 | 防止化学粘附并确保均匀的热量分布。 |
| 脉冲电流 | 能源 | 驱动快速致密化并促进原子扩散。 |
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