高纯石墨模具在Cu2Se的放电等离子烧结（SPS）过程中同时充当加热元件和压力容器。它们主要起到传导大电流脉冲电以产生焦耳热，同时将单轴压力传递到粉末的作用。这种双重能力可确保铜硒化物在约823 K的烧结温度下实现结构致密化。
石墨模具不仅仅是一个容器；它是烧结系统的一个活性组成部分。通过同时实现加热和施压，它驱动原子扩散和有序界面的形成，这对于优化材料的热电性能至关重要。
石墨模具的机械原理
作为电阻加热器
在标准烧结中，热量来自外部炉。在SPS中，石墨模具本身产生热量。
由于高纯石墨具有优异的导电性，它允许数千安培的脉冲电流通过。该电流在模具壁内产生焦耳热，然后均匀地传递到内部的Cu2Se粉末。
传递机械压力
模具充当从SPS机的液压缸向样品传递力的物理介质。
Cu2Se需要显著的压力才能实现高密度。石墨模具具有在高温（高达823 K）下承受这些载荷而不会变形的机械强度。这种压力将粉末颗粒压在一起，通过塑性流动促进致密化。
成型最终部件
除了加热和压缩，模具还充当主要的成型工具。
它定义了烧结样品的宏观几何形状。由于模具在高热应力和机械应力下保持其完整性，因此确保最终的Cu2Se颗粒具有精确的尺寸和均匀的形状。
对材料微观结构的影响
促进原子扩散
直接加热和压力的结合创造了一个有利于快速原子运动的环境。
石墨模具确保热能直接施加到颗粒上。这促进了原子扩散，这是将粉末颗粒粘合成立体结构所必需的基本机制。
增强热电性能
对于像Cu2Se这样的材料，晶界的质量至关重要。
SPS工艺，在石墨模具的辅助下，诱导形成具有半相干特性的有序界面。这些特定的微观结构特征有助于最小化晶格热导率，这是提高热电材料效率的关键因素。
理解权衡
碳扩散的风险
虽然石墨是优良的导体，但在高温下具有化学反应性。
存在碳原子从模具扩散到Cu2Se样品中的可能性。这会改变合金的表面化学性质或机械性能。
界面屏障的必要性
为了减轻污染，模具表面通常需要隔离。
石墨纸经常用作模具和Cu2Se粉末之间的衬垫。这可以防止粉末粘附在模具上，并阻止过多的碳渗透，确保样品在取出时保持纯净和结构完整。
根据您的目标做出正确的选择
为了最大化您的Cu2Se样品的质量，请考虑模具如何与您的特定加工参数相互作用：
- 如果您的主要重点是几何精度：确保您的石墨牌号具有高的高温强度，以防止在Cu2Se致密化所需的单轴载荷下发生变形。
- 如果您的主要重点是材料纯度：使用石墨纸或氮化硼涂层来隔离Cu2Se粉末，防止化学反应或粘附在模具壁上。
- 如果您的主要重点是热均匀性：验证石墨模具的电均匀性，以确保整个样品体积的均匀焦耳加热。
石墨模具是将电能和机械能转化为高性能铜硒化物所需微观结构顺序的关键界面。
总结表：
| 功能 | 描述 | 对Cu2Se的好处 |
|---|---|---|
| 电阻加热 | 传导脉冲电流以产生焦耳热 | 确保快速、均匀的热扩散 |
| 压力传递 | 从液压缸传递单轴力 | 在823 K时促进完全致密化 |
| 结构成型 | 充当主要成型工具 | 确保精确的几何形状和样品完整性 |
| 微观结构控制 | 促进原子运动和晶界形成 | 提高热电效率（低热导率） |
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参考文献
- Investigating the Stability of Cu2Se Superionic Thermoelectric Material in Air Atmosphere. DOI: 10.3390/ma18174152
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
