石墨模具在真空热压烧结（VHPS）过程中充当关键的结构和功能界面。特别是对于高熵合金-陶瓷复合材料，它作为一个高强度容器，容纳低碳钢基体和合金粉末，传递高达30 MPa 的机械压力，同时承受1373 K的烧结温度，以确保最终复合材料致密且尺寸精确。
核心要点 石墨模具不仅仅是一个被动的容器；它是一个主动的工具，同时充当压力传递的活塞和热量调节器。它在高热和重载下保持结构完整性的能力是将松散粉末转化为固体、高密度复合材料的主要机制。
机械作用：压力与致密化
传递单轴压力
在 VHPS 工艺中，模具有效地充当液压腔。它负责将单向力——通常高达30 MPa——直接传递到粉末混合物。
促进塑性变形
这种传递的压力促使粉末颗粒（低碳钢和电解脱氧合金）重新排列和变形。这种机械压缩消除了颗粒间的空隙，从而实现了强复合涂层所需的高致密化。
几何定义
模具充当材料的最终边界。由于石墨能够保持其形状刚性，因此它定义了复合材料坯料的最终几何形状，确保最终产品符合精确的尺寸规格。
热学作用：稳定性和导电性
承受极端温度
这些复合材料的烧结过程需要高热能，通常达到1373 K（约 1100°C）。石墨模具在这些温度下必须保持化学和物理稳定性，而不会熔化、软化或变形。
均匀传热
石墨具有优异的导热性。这使得模具能够充当热量传递介质，确保热能均匀分布在整个粉末混合物中。
防止热梯度
通过高效导热，模具可以防止粉末内部出现“热点”或冷区。这种热均匀性对于确保合金和陶瓷组分以相同的速率烧结至关重要，从而获得均匀的微观结构。
保护作用：真空与化学
化学稳定性和不润湿性
在高温下，金属通常会与容器发生反应。选择石墨是因为它在化学上是稳定的，并且通常不会与铁铜基基体发生严重的反应或“粘附”。这确保了样品在烧结后可以干净地取出。
真空的作用
VHPS 中的“真空”保护了石墨本身。在空气中，石墨在使用几次后会迅速氧化和降解。在真空环境中，模具免受氧化，大大延长了其使用寿命（通常从 4-5 次使用延长到 30 次以上），并保持了内部合金粉末的纯度。
理解权衡
机械限制
虽然石墨具有高抗压强度，但它是一种脆性材料。它能承受的拉伸和剪切应力是有限的。如果压力超过其额定值（例如，根据等级显著超过 30-40 MPa），或者加载不均匀，模具可能会发生灾难性断裂。
氧化风险
对真空环境的依赖是绝对的。如果真空密封失效，或者在模具处于高温（高于 400°C–600°C）时引入氧气，石墨将迅速氧化（燃烧）。这不仅会损坏模具，还会改变复合材料样品的碳含量和化学成分。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高石墨模具在您特定项目中的有效性，请考虑您的主要目标：
- 如果您的主要关注点是最大密度：确保您的模具设计具有足够厚的壁，能够安全地承受最高压力（30 MPa），以强制颗粒变形。
- 如果您的主要关注点是微观结构均匀性：优先选择高纯度、高密度的石墨等级，以确保最均匀的导热性，并避免在保温期间出现温度梯度。
最终，您的高熵合金复合材料的成功取决于石墨模具在不降解的情况下将极端热能与高机械压力耦合的能力。
总结表：
| 功能 | 关键机制 | 技术影响 |
|---|---|---|
| 压力传递 | 高达 30 MPa 的单轴力 | 消除空隙；确保高材料致密化 |
| 热量管理 | 1373 K 下的导电性 | 提供均匀传热；防止微观结构缺陷 |
| 结构控制 | 几何边界 | 保持复合材料坯料精确的尺寸精度 |
| 化学稳定性 | 不润湿特性 | 防止材料粘附并确保样品清洁取出 |
| 耐用性 | 真空保护 | 通过防止氧化将模具寿命从约 5 次延长到 30 次以上 |
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