高纯、高强度石墨模具同时充当容器、加热元件和压力施加器。 在 MgTiO3-CaTiO3 陶瓷的放电等离子烧结 (SPS) 过程中，这些模具充当多功能工具，将脉冲电流转化为热能，同时有效地将轴向机械载荷传递到粉末上。
石墨模具的核心价值在于其同步热力和机械力的能力。模具既是焦耳加热的电阻体，又是施加压力的坚固压头，它使得材料能够在远低于传统烧结所需的温度下快速致密化。
石墨功能的三个支柱
作为电阻加热元件
主要参考资料强调，模具并非被动容器，而是热系统的有源组件。由于石墨具有导电性，它充当电阻加热元件。
当脉冲直流电通过模具时，它通过焦耳加热将电能转化为热能。这使得热量能够直接在样品周围产生，而不是仅仅依赖于外部辐射。
促进轴向压力传递
模具利用石墨的高机械强度来传递显著的力。它充当轴向压力的传导器，通常在数十兆帕 (MPa) 的范围内。
这种加压环境对 SPS 工艺至关重要。它物理上压缩粉末颗粒，有助于分解团聚体并增强颗粒间的接触。
容纳和成型粉末
从最基本的层面来看，高纯石墨充当成型工具。它定义了 MgTiO3-CaTiO3 陶瓷样品的最终几何形状。
即使在烧结循环的强烈热应力和机械应力作用下，模具也必须保持其结构完整性和尺寸稳定性。
这些角色如何驱动性能
实现快速致密化
直接加热和机械压力的结合实现了快速致密化。主要参考资料指出，这种协同作用使得材料能够在比无压烧结低得多的整体温度下达到高密度。
确保均匀的场分布
优质石墨具有优异的热导率和电导率。这确保了温度场和压力场在整个烧结区域均匀分布。
均匀性对于在整个陶瓷中保持一致的材料性能并防止结构缺陷或翘曲至关重要。
理解权衡
碳污染风险
虽然石墨是优良的导体，但在高温下具有化学反应性。碳原子有可能扩散到陶瓷表面，从而改变 MgTiO3-CaTiO3 的介电性能。
表面粘附问题
陶瓷粉末与模具之间的直接接触可能导致粘附或粘结。这使得脱模困难，并可能损坏样品表面。
为减轻这种情况，通常使用石墨纸或氮化硼涂层作为界面衬垫。这些屏障可防止化学反应，并确保样品能够干净地取出，尽管它们增加了制备过程中的一个额外步骤。
为您的目标做出正确选择
为最大限度地提高石墨模具在 SPS 工艺中的有效性，请考虑以下战略调整：
- 如果您的主要重点是致密化速度：在模具的安全限制内（通常高达 60-80 MPa）最大化轴向压力，以便在加热阶段机械强制颗粒重排。
- 如果您的主要重点是材料纯度：使用高质量的石墨纸或特定的脱模剂将陶瓷粉末与模具壁隔离，防止碳扩散。
- 如果您的主要重点是尺寸精度：确保所选的石墨牌号具有高的高温强度，以防止模具本身在负载下变形。
通过利用石墨的导电性和机械性能，您可以将模具从简单的容器转变为材料合成的动态引擎。
总结表：
| 功能角色 | 机制 | 对 MgTiO3-CaTiO3 的益处 |
|---|---|---|
| 加热元件 | 通过导电性进行焦耳加热 | 在样品附近快速、均匀地产生热量 |
| 压力施加器 | 传递轴向机械载荷 | 在较低温度下提高致密化效果 |
| 容器 | 高温下的结构完整性 | 精确成型和尺寸稳定性 |
| 场分布器 | 热/电导率 | 一致的材料性能和更少的缺陷 |
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