高强度石墨模具作为关键界面，连接着加工设备和复合材料。它们主要充当物理容器，用于确定样品的几何形状，并作为传递介质，将高机械压力（通常约为 30 MPa）直接传递到 Ti/Al2O3 组件上。此外，它们利用石墨固有的热学特性，确保烧结区域内温度场的均匀性。
石墨模具不仅仅是一个容器；它是一种主动的加工工具，将液压转化为材料密度，同时调节热环境以防止结构缺陷。
合成中的机械功能
确定几何形状和对齐
石墨模具最直接的功能是充当定位容器。它将松散的粉末或堆叠的金属箔限制在特定的宏观形状（例如圆盘）。
对于像 Ti/Al2O3 这样的层状复合材料，模具对于保持多层堆叠的对齐至关重要。这种约束可防止在加工过程中发生横向移动，确保最终组件符合精确的尺寸规格。
压力传递介质
除了简单的容纳，模具还充当压力传递介质。它将液压缸的力垂直传递到样品表面。
在此作用下，模具必须能够承受显著的轴向压力（通常为 25–50 MPa）而不会发生变形。这种传递对于促进材料的塑性变形和闭合孔隙至关重要，这驱动了复合材料的致密化。
热学作用和烧结质量
确保均匀加热
石墨具有优异的导热性，可用于调节烧结环境。模具吸收来自炉元件的热量，并将其均匀地重新分配到样品周围。
这种均匀性对于 Ti/Al2O3 复合材料至关重要。它可以防止局部热点或热梯度导致烧结不均匀、产生残余应力或陶瓷层开裂。
实现扩散键合
压力传递和热均匀性的结合促进了扩散键合。通过保持恒定的热量和压力，模具允许原子在 Ti 和 Al2O3 界面之间迁移。
这个过程将独立的层或粉末转化为一个内聚的结构单元。如果没有模具同时维持这些条件的能力，材料将遭受局部未键合或分层。
理解权衡
管理化学反应性
虽然石墨在导热和承压方面表现出色，但与钛一起使用时会带来化学挑战。钛具有高度反应性，在高温下与碳直接接触时会形成碳化钛 (TiC)。
为了缓解这种情况，通常在模具和样品之间使用隔离层（例如氧化铝粉末或箔）。这有助于脱模并保持复合材料表面的化学纯度。
极端条件下的机械限制
石墨在高温（高达 1450°C）下仍能保持高强度，但它很脆。虽然它能很好地承受压缩载荷，但其抗拉强度很低。
操作人员必须确保对齐完美，以避免剪切力。在高压阶段的对齐不良可能导致模具灾难性失效，从而损坏消耗性模具和内部样品。
为您的目标做出正确选择
了解模具的机械和热学双重作用，可以帮助您优化热压工艺。
- 如果您的主要重点是尺寸精度：优先选择高密度、高强度的石墨牌号，以最大限度地减少模具在 30 MPa 以上载荷下的变形。
- 如果您的主要重点是表面纯度：确保使用惰性隔离层（如氧化铝）以防止 Ti-C 反应，同时严格依赖模具进行压力传递。
- 如果您的主要重点是均匀性：使用壁更厚的模具设计，以最大化热质量，确保尽可能均匀的温度分布。
您的 Ti/Al2O3 复合材料的成功，取决于您是否将石墨模具视为传递力和热量的主要仪器，而不是一个被动的容器。
总结表：
| 功能类别 | 主要作用 | 对 Ti/Al2O3 复合材料的好处 |
|---|---|---|
| 机械 | 几何形状和对齐 | 保持多层堆叠的精度和尺寸准确性。 |
| 压力 | 力传递 | 传递轴向压力（30+ MPa）以驱动材料致密化。 |
| 热学 | 热量重新分配 | 确保均匀的温度场，以防止开裂和残余应力。 |
| 界面 | 扩散键合 | 促进 Ti 和 Al2O3 层之间的原子迁移，以获得内聚强度。 |
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