高纯石墨模具在 TiC 增强 SiC 复合材料的放电等离子烧结 (SPS) 过程中充当核心加工容器。它们同时执行三个关键作用：作为粉末的几何容器、产生热能的电阻加热元件以及将均匀压力传递给样品的机械活塞。
核心要点 石墨模具促进了致密难熔复合材料所需的“热-力耦合”。通过同时作为热源和压力传递介质，它能够在高达 2000°C 的温度下实现快速加热和完全致密化，同时保持尺寸稳定性。
模具的功能作用
作为电阻加热元件
在常规烧结中，热量是从外部施加的。在 SPS 中，石墨模具本身会产生热量。
模具具有高导电性。当 SPS 设备通过模具施加脉冲直流电 (DC) 时，它就充当电阻器。
此过程将电能直接转化为焦耳热。由于热量直接在样品附近和样品内部产生，因此温度会快速有效地升高。
传递机械压力
模具不是静态容器；它是一个主动的机械部件。它充当将轴向压力传递给 TiC-SiC 粉末混合物的介质。
对于标准高强度石墨，该压力通常达到50 至 60 MPa 的极限。
在加热过程中施加这种压力至关重要。它将颗粒推到一起，促进原子扩散，并有助于分解团聚体，从而提高最终复合材料的密度。
确保几何约束
在宏观层面，模具定义了最终产品的形状和尺寸。
它充当一个刚性约束容器，将松散的粉末混合物固定在适当位置。这确保了材料会形成一个连贯的固体，而不是在施加的载荷下向外流动。
为什么石墨对 TiC-SiC 复合材料至关重要
极端温度下的热稳定性
烧结碳化硅 (SiC) 基复合材料需要极高的温度才能实现完全致密化。
高纯石墨在1800°C 至 2000°C 的温度下保持其结构强度和完整性。
虽然其他模具材料在这些温度下可能会软化、变形或熔化，但石墨保持稳定，确保复合材料保持其预期的几何形状。
均匀的能量分布
在由碳化钛 (TiC) 增强的复合材料中实现均匀的微观结构需要均匀加热。
石墨模具吸收脉冲电流，并将产生的热能均匀地分布到整个样品。
这可以防止“热点”，从而避免陶瓷基体中出现不均匀的晶粒生长或残余应力。
理解权衡
压力限制
虽然石墨在高温下强度很高，但与低温加工中使用的金属相比，它存在机械限制。
标准高纯石墨模具通常能承受高达60 MPa 的压力。为了强行提高密度而超过此极限，有在加工过程中导致模具破裂的风险。
化学相互作用
石墨在高温下具有化学活性。
虽然有利于导电性，但如果未能通过阻挡箔或特定的加工气氛妥善管理，模具中的碳与成分粉末之间存在表面相互作用的潜在可能性。
为您的目标做出正确选择
为了最大化高纯石墨模具在您的 SPS 工艺中的有效性，请考虑以下加工目标：
- 如果您的主要重点是快速致密化：利用模具的高导电性来提高加热速率，从而实现抑制晶粒粗化的快速热-力耦合。
- 如果您的主要重点是几何精度：在安全压力限制内（通常低于 60 MPa）运行，以防止模具变形，并依靠高温保温时间（1800°C+）来实现最终密度。
SPS 的成功取决于平衡模具产生的热能与其能够安全传递的机械压力。
摘要表：
| 角色 | 功能机制 | 对 TiC-SiC 复合材料的影响 |
|---|---|---|
| 电阻加热 | 将脉冲直流电转换为焦耳热 | 在 2000°C 下实现快速加热和高效致密化 |
| 压力传递 | 传递 50-60 MPa 的轴向压力 | 促进原子扩散并消除孔隙 |
| 几何约束 | 定义形状并固定松散粉末 | 确保尺寸稳定性和防止材料流动 |
| 热稳定性 | 在极端温度下保持强度 | 防止高温陶瓷烧结过程中的模具变形 |
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