石墨模具是二硼化锆-碳化硅 (ZrB2-SiC) 复合材料热压过程的结构和功能支柱。它们是必需的，因为它们是唯一能够承受极端 2000°C 烧结环境并同时传导材料致密化所需的电和热的可用容器。
核心要点 ZrB2-SiC 的成功烧结需要一种不仅仅是容器的模具；它必须充当热量和压力的活性导体。石墨非常适合此角色，因为它在其他材料会熔化的温度下仍能保持结构完整性，并通过优异的热导率和导电率确保均匀致密化。
耐受极端环境
2000°C 的热稳定性
加工 ZrB2-SiC 复合材料需要巨大的热量来熔合陶瓷颗粒。
石墨模具是必需的，因为它们具有出色的热稳定性。它们能够承受这些陶瓷所需的高达 2000°C 的极端烧结温度，而不会熔化或变形。
负载下的结构完整性
仅仅加热是不够的；材料必须经过物理压缩以去除孔隙。
石墨模具即使在这些极端温度下也能保持其机械强度。在 ZrB2-SiC 加工的特定环境中，它们被依赖于承受高达10 MPa 的机械压力而不失效。
驱动致密化过程
导电性作用
在电阻加热真空热压机中，热量通常通过电流通过系统产生。
石墨提供出色的导电性。这使得模具本身能够促进加热过程，确保能量有效地传递到复合材料中。
均匀传热
不均匀加热会导致缺陷、翘曲或烧结不完全。
石墨的高导热性确保热量在模具中均匀分布。这有利于将热量均匀地传递到 ZrB2-SiC 粉末，从而促进恒定的温度场和最终产品的均匀致密化。
成型和压力传递
定义几何形状
模具充当主要的“成型容器”。
它定义了烧结部件的最终几何形状。由于石墨在 2000°C 下不会显著软化，因此它确保复合材料实现精确的尺寸精度。
轴向压力分布
热压机从一个方向（单轴）施加力，如果管理不当，可能导致密度不均匀。
石墨模具充当传输介质。它将来自压头顶部的轴向压力直接传递到粉末。这确保了压力均匀分布，迫使颗粒结合在一起，形成致密、无孔的结构。
理解权衡
机械压力限制
虽然石墨很坚固，但与冷加工工具相比，它并非无限耐用。
根据此应用的主要数据，这些模具的额定压力高达10 MPa。在峰值温度下超过此限制存在模具破裂或变形的风险，可能会损坏昂贵的陶瓷复合材料。
环境限制
石墨在高温下极易氧化。
因此，此过程严格要求真空环境。模具不能在 2000°C 的开放式炉中使用，因为石墨会基本上烧毁，从而损坏样品和设备。
为您的目标做出正确选择
在规划烧结 ZrB2-SiC 等超高温陶瓷 (UHTC) 时：
- 如果您的主要关注点是致密化均匀性：优先选择高纯度石墨，并验证其导电均匀性，以防止在电阻加热过程中出现热点。
- 如果您的主要关注点是工艺安全：严格遵守 10 MPa 的压力限制，并确保稳定的真空以防止模具氧化和失效。
石墨不仅仅是工具架；它是使高性能陶瓷烧结成为可能的导热和机械物理过程的积极参与者。
总结表：
| 特性 | ZrB2-SiC 烧结要求 | 石墨为何必不可少 |
|---|---|---|
| 耐温性 | 高达 2000°C | 在金属熔化的地方保持结构完整性 |
| 承压能力 | 高达 10 MPa | 在高轴向载荷下保持机械强度 |
| 导电性 | 高导热和导电性 | 确保均匀传热和高效加热 |
| 几何控制 | 精确的尺寸精度 | 提供稳定、不变形的容器 |
| 环境 | 真空/惰性气氛 | 防止模具和复合材料氧化 |
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