高强度石墨模具在铝基复合材料的真空热压烧结过程中，充当主要的容器和压力传递介质。它们负责定义样品的精确几何形状（例如保持一致的直径），同时承受烧结炉的极端环境。同时，它们促进了将复合粉末粘结成固体、高密度材料所需的热力学过程。
石墨模具的核心价值在于其能够将高机械强度与优异的导热性相结合。它能够在不化学降解铝基体的情况下，同时施加热量和压力——将松散的粉末转化为具有稳定界面结合的致密复合材料。
模具的机械和热学作用
保持几何一致性
石墨模具最直接的功能是作为成型容器。它将松散的复合粉末限制在特定形状内，确保最终烧结产品满足精确的尺寸规格，例如一致的 30 毫米直径圆柱体。
传递轴向压力
真空热压依赖于压缩粉末来实现致密化。石墨模具必须具备高温机械强度，以便将连续的单轴压力传递到粉末体上。
根据具体工艺，该压力通常在 30 MPa 至 70 MPa 之间，它迫使粉末颗粒相互靠近，以消除孔隙。
确保均匀加热
石墨因其优异的导热性而被选用。在热传递可能具有挑战性的真空环境中，模具确保热能均匀分布到整个复合材料样品上。
均匀加热至关重要。它可以防止导致铝基体开裂、翘曲或烧结速率不均匀的温度梯度。
对微观结构和加工的影响
促进界面结合
均匀压力和均匀加热的结合创造了微观结构演化的理想条件。模具的稳定性允许在基体和增强材料之间形成稳定的界面结合层。
例如，这种稳定的环境有利于形成特定的相，如 Al7Cu2Fe 相，这对于某些铝复合材料的机械完整性至关重要。
防止化学污染
铝具有高度反应性，但在烧结温度（例如 460°C 至 700°C）下，高强度石墨仍然相对化学稳定。模具不会严重粘附到铝基体上，从而最大限度地减少表面污染。
自润滑和脱模
石墨具有天然的自润滑性能。这一特性在烧结后阶段至关重要，因为它能防止金属复合材料粘附在模具壁上，从而便于取出成品样品（脱模）。
理解权衡
机械极限和失效
虽然石墨具有优异的高温强度，但与金属相比，它比较脆。如果施加的压力超过模具的材料极限（拉伸或压缩强度），则可能发生灾难性失效或模具开裂，从而损坏样品。
消耗品性质
石墨模具在技术上是消耗品。经过反复使用，它们会因氧化（如果真空被破坏）、压力施加引起的机械磨损或界面处轻微的化学相互作用而退化。它们需要定期检查和更换，以保持尺寸精度。
为您的目标做出正确选择
如果您的主要关注点是最大密度：
- 优先选择机械强度等级尽可能高的模具，以安全地最大化施加到粉末上的轴向压力（例如，接近 70 MPa）。
如果您的主要关注点是微观结构均匀性：
- 选择经过验证的导热性能规格的高纯度石墨，以确保热量传递完全均匀，从而促进均匀的相沉淀（如 Al7Cu2Fe）。
如果您的主要关注点是工艺效率：
- 确保模具设计考虑到石墨的自润滑性能，以加快脱模周期并减少后处理清理工作。
石墨模具不仅仅是一个容器；它是一个主动的热机械部件，决定了复合材料的最终质量。
总结表：
| 功能 | 关键机制 | 对复合材料的好处 |
|---|---|---|
| 容纳 | 几何约束 | 确保尺寸精度（例如 30 毫米直径） |
| 压力传递 | 高温机械强度 | 消除孔隙以实现最大材料密度 |
| 热管理 | 优异的导热性 | 均匀加热可防止翘曲和开裂 |
| 界面结合 | 稳定的压力/热量耦合 | 促进牢固的相结合（例如 Al7Cu2Fe） |
| 脱模 | 自润滑性能 | 防止粘连并便于样品取出 |
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