高纯度、高强度的石墨模具在放电等离子烧结 (SPS) 工艺中充当结构和热量的核心。 它们虽然看起来只是简单的容器，但却能主动驱动烧结机制。具体来说，它们同时承担三个角色：产生烧结所需的热量，传递致密化所需的机械压力，并确定 Al2O3-TiC 陶瓷部件的最终几何形状。
核心要点 SPS 中的石墨模具不是被动的容器；它是一个集加热元件和压力容器于一体的主动部件。它能够在高达 1600°C 的温度下承受巨大的物理挤压力，同时又能导电大电流，这使得 Al2O3-TiC 复合材料能够实现快速、高密度的烧结。
模具功能的三个支柱
1. 模具作为加热元件
在传统烧结中，热量来自外部炉子。在 SPS 中，石墨模具本身会产生热量。
导电性和焦耳加热
石墨模具具有优异的导电性。当 SPS 系统施加脉冲直流电流时，模具会直接导电。
直接能量传递
通过焦耳加热，这种电流的流动将高电流转化为热能。这使得热量直接在 Al2O3-TiC 粉末的邻近区域和内部产生，与外部加热方法相比，实现了极快的加热速率。
2. 模具作为压力传递介质
SPS 中的致密化在很大程度上依赖于机械力。模具充当该力的传递载体。
承受轴向载荷
模具必须承受系统液压缸产生的数千牛顿（通常高达 60 MPa）的轴向压力。
促进塑性流动
通过在高温下稳定地维持这种压力，模具迫使陶瓷颗粒相互靠近。这种机械应力有助于克服扩散势垒，促进 Al2O3 和 TiC 颗粒之间的塑性流动和原子扩散。
3. 模具作为成型容器
模具最基本的作用是确定最终产品的形状和完整性。
极端条件下的热稳定性
Al2O3-TiC 的烧结需要 1400°C 至 1600°C 的温度范围。石墨模具在这些极端热条件下不会软化或变形，能够保持其结构完整性。
几何精度
由于高强度石墨即使在负载和高温下也能抵抗变形，因此可以确保最终的陶瓷刀具毛坯保持精确的几何尺寸和均匀的密度分布。
为什么“高纯度”和“高强度”很重要
“高纯度”和“高强度”等描述词并非营销术语；它们是加工 Al2O3-TiC 的功能要求。
高强度的必要性
普通石墨在 1600°C 的高温和兆帕级压力组合下会失效。“高强度”石墨可防止模具弯曲或破裂，否则会导致样品变形或密度梯度。
高纯度的必要性
在高温下，材料的反应性会大大增强。“高纯度”石墨在化学上是稳定的，可确保模具不会与 Al2O3-TiC 样品发生化学反应。这可以防止表面污染，并确保陶瓷保持其预期的材料性能。
常见陷阱和权衡
虽然石墨模具至关重要，但它们也带来了一些必须加以管理的特定限制。
化学反应风险
尽管是高纯度石墨，但在极端温度下，它仍然可能向某些材料扩散碳或粘附在样品上。为了减轻这种情况，通常会使用一层石墨纸作为粉末和模具之间的隔离屏障。
热梯度
虽然石墨是良好的导体，但模具的几何形状会影响热量分布。如果模具设计不当（例如，壁厚不均匀），则可能导致热梯度，从而导致陶瓷烧结不均匀或产生残余应力。
氧化易感性
石墨在高温空气中会迅速氧化。因此，这些模具只能在 SPS 室的真空或惰性气氛中有效运行。
为您的项目做出正确选择
为了最大限度地提高 Al2O3-TiC 陶瓷的质量，请考虑模具规格如何与您的加工目标保持一致：
- 如果您的主要重点是几何精度： 确保您的石墨牌号具有尽可能高的抗压强度，以防止在峰值压力下发生微小变形。
- 如果您的主要重点是材料纯度： 优先选择超高纯度石墨牌号，并使用高质量的石墨纸衬里，以消除任何碳污染的风险。
最终，您的 SPS 工艺的成功取决于选择一个能够同时承受数千安培电流和数吨压力而不会出现任何问题的模具。
总结表：
| 功能 | 描述 | 对 Al2O3-TiC 的影响 |
|---|---|---|
| 焦耳加热 | 导电脉冲直流电流以产生热量 | 实现快速加热速率和直接能量传递 |
| 压力传递 | 承受高达 60 MPa 的轴向载荷 | 促进致密化和原子扩散 |
| 结构成型 | 在 1400°C–1600°C 下保持完整性 | 确保精确的几何形状和均匀的密度 |
| 高纯度 | 最大限度地减少化学反应性 | 防止表面污染和材料降级 |
| 高强度 | 抵抗负载下的机械失效 | 消除模具变形和样品破裂 |
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