高壓模具的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高壓模具，包括：中空的外模；設置于所述外模的中空腔體的上下兩端處的一對外壓頭；嵌套于所述外模的中空腔體中的中空的內模；以及設置于所述內模的中空腔體的上下兩端處且與所述一對外壓頭相抵接的一對內壓頭；所述內模與所述一對內壓頭之間的空間構成容納待成型的物體的模腔；所述內壓頭的與所述物體抵接處的橫截面積小于所述外壓頭的橫截面積。本實用新型的高壓模具能產生高壓強以適用于進行高壓合成。
【專利說明】高壓模具
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及高壓裝置，具體地，涉及能應用于冷壓成型、甚至熱壓或放電等離子體等燒結設備的用于進行高壓合成的高壓模具。
【背景技術】
[0002]高壓合成技術是一種在高壓下合成新物質、新材料的制備手段，在最近幾十年間發(fā)展極其迅速，其在高溫高硬度材料、超導材料、半導體材料等新材料研究中得到了廣泛的應用，是當前無機固態(tài)及固態(tài)材料合成中的一種重要方法。在冷壓成型、熱壓燒結、放電等離子體燒結等應用中，常規(guī)壓力都在IOOMPa以內，因此壓力≥IOOMPa下進行的合成可以稱之為高壓合成；另一方面，在一些固態(tài)物質的合成領域，合成壓力> IGPa亦可稱之為高壓合成。
[0003]高壓合成的優(yōu)勢在于高壓作用可以縮短原子間距，從而引起物質性質和性能的改變，如能帶寬度、態(tài)密度、有效質量等的改變，進而獲得一些新現象和新效應，可以有效改善材料的性能。其次，高壓還可以通過增加壓強來改變物相的熱力學參數，從而獲得一些新相和新物質。
[0004]故而高壓合成拓寬了現有物質的相空間，一般物質在整個壓強的變化范圍內存在5種不同的結構，如果在溫度和組分的物相空間中再加上壓力的作用，將會極大的擴展尋找新材料的空間。再者,高壓合成過程中不會引進其他物質,清潔高效,并且具有合成材料迅速的特點，與常壓下制備材料相比，高壓作用下的化學反應只需極短的時間就可以完成，極大的縮短了材料的制備周期。因此，高壓對材料影響的研究以及高壓裝置的設計和構造在科學、工程等領域都備受關注。
[0005]此外，熱壓燒結(Hot Pressed Sintering,簡稱HPS)是將干燥粉料充填入模具內，再從單軸方向邊加壓(一般為10~40MPa，取決于模具所能承受的壓強)邊加熱，使成型和燒結同時完成的一種燒結方法。熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于流動傳質和致密化，因而可降低燒結溫度，縮短燒結時間，從而抵制晶粒長大，得到晶粒細小、致密度高和機械、電學性能良好的樣品。
[0006]另外，放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)是將粉末樣品裝入石墨等材質制成的模具內，利用上、下模沖及通電電極將壓力和脈沖電流施加于燒結粉末，經等離子體放電活化和熱塑變形制取高性能材料的一種粉末燒結技術。放電等離子燒結具有十分明顯的工藝優(yōu)勢:其加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織結構可控，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的材料，可以燒結梯度材料以及復雜工件等。
[0007]隨著高新技術產業(yè)的發(fā)展，新型材料特別是新型功能材料的種類和需求量不斷增加，上述熱壓燒結和放電等離子燒結在新材料的研究和生產領域中發(fā)揮著重要作用。
[0008]基于熱壓燒結和放電等離子燒結的高壓燒結技術，不僅可以實現低溫快速燒結，并能夠在嚴格控制材料的微觀組織結構的同時，改變和調控材料的物理、化學參數，因而在制備和發(fā)現新型功能材料以及改善材料性能方面具有獨特的優(yōu)勢。熱壓燒結與放電等離子燒結都需要一個模具裝置完成對粉體的燒結制備，其模具要求具有高強度，能耐高溫、抗氧化，且不與燒結材料黏結，熱膨脹系數與燒結材料一致或近似，因此最廣泛使用的是石墨模具。
[0009]現有技術中的石墨模具的示意性縱向剖視圖如圖1所示，模具10具備:中空的模體11和設置于該模體11的中空腔體的上下兩端處的一對壓頭，即上壓頭13和下壓頭14。該模體11與一對壓頭13、14之間的空間構成容納待成型物體(例如粉末樣品15)的模腔16。此外，該模具10在適用于放電等離子燒結時，還可以具備設置于模體11中的熱電偶插孔12，以在其中插入通電電極。
[0010]在燒結過程中，壓力直接施加于上壓頭13、下壓頭14和粉末樣品15，以完成燒結。然而，石墨模具最大可承受的壓強為80~lOOMPa，因此，熱壓燒結和放電等離子體燒結的壓力范圍一般為10~60MPa，無法直接利用其實現高壓燒結(壓強≥100MPa),限制了高壓合成技術在熱壓燒結和放電等離子燒結領域的應用。
實用新型內容[0011]鑒于以上所述，本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種能產生高壓強的適用于進行高壓合成的高壓模具。
[0012]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種高壓模具，包括:中空的外模；設置于所述外模的中空腔體的上下兩端處的一對外壓頭；嵌套于所述外模的中空腔體中的中空的內模；以及設置于所述內模的中空腔體的上下兩端處且與所述一對外壓頭相抵接的一對內壓頭；所述內模與所述一對內壓頭之間的空間構成容納待成型的物體的模腔；所述內壓頭的與所述物體抵接處的橫截面積小于所述外壓頭的橫截面積。
[0013]根據本實用新型的高壓模具由外模和內模嵌套式構成，利用外壓頭和內壓頭的橫截面積差增大施加于諸如粉末的待成型的物體上的壓強，從而構成產生高壓強的適用于進行高壓合成的高壓模具。
[0014]本實用新型的高壓模具不僅可以用于常規(guī)環(huán)境，如粉末樣品的冷壓成型等，并能應用于熱壓燒結和放電等離子體等燒結設備。利用本實用新型的高壓模具作為燒結模具可以將熱壓和放電等離子燒結的壓強范圍擴展至IOOMPa~2GPa，實現了高壓合成技術在熱壓燒結和放電等離子燒結領域的應用。從而，可以在新型功能材料和納米材料的制備、開發(fā)方面有效地發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。
[0015]又，在本實用新型中，也可以，所述外模是石墨模具。
[0016]根據本實用新型，由于石墨材質具有良好的導電、導熱性，且能夠耐高溫、抗氧化，從而使得由石墨模具構成的外模能夠具有良好的導電和導熱性能，以實現快速升溫并能為內模提供一個恒定的溫場。
[0017]又，在本實用新型中，也可以，所述內模是碳化硅模具或碳化鎢模具。
[0018]根據本實用新型，內模選用碳化硅或碳化鎢材質，碳化硅或碳化鎢材質具有很高的抗壓強度且具有較好的導熱性能，尤其是與外層石墨相吻合的熱膨脹系數。由此，使得與粉末樣品直接接觸的內模能夠承受壓強I~2Gpa，從而為粉末樣品提供一個高壓環(huán)境，并且具有較好的導熱性能以及與外層模具相吻合的熱膨脹系數。[0019]又，在本實用新型中，也可以，所述外模的內徑是所述內模的內徑的4?6倍。
[0020]根據本實用新型，通過使外模的內徑是內模的內徑的4?6倍，可以在滿足能夠應用于冷壓成型、熱壓或放電等離子體等燒結設備的同時，確保為粉末樣品提供足夠高的壓力。
[0021]又，在本實用新型中，也可以，所述內模的外徑與所述外模的內徑一致。
[0022]根據本實用新型，內模的外徑與外模的內徑一致，以使內外模緊密貼合，以利于熱傳導。
[0023]又，在本實用新型中，也可以，所述外壓頭的直徑與所述外模的內徑一致。
[0024]根據本實用新型，外壓頭的直徑與外模的內徑一致，這是由于一般模具裝置的壓頭和模具是需要緊密結合為一個整體的，除此之外，對于本實用新型，一方面，使外壓頭直徑達到最大，可以盡量減小其承受的壓強，增加壽命；其次，在用于熱壓或放電等離子體等燒結設備時，緊密接觸以保證燒結過程中熱量順利傳遞。
[0025]又，在本實用新型中，也可以，所述內壓頭形成為向著所述模腔而直徑逐漸減小的臺階狀形狀。
[0026]根據本實用新型，內壓頭形成為向著模腔而直徑逐漸減小的臺階狀形狀，從而實現所施加的壓強的逐級變化，既能保證施加于粉末樣品上足夠大的壓強，又能有效保護外模不受損壞。
[0027]又，在本實用新型中，也可以，所述內壓頭的遠離所述模腔的第一臺階部的直徑與所述外壓頭的直徑一致，且所述內壓頭的接近所述模腔的第二臺階部的直徑與所述內模的
內徑一致。
[0028]根據本實用新型，通過使內壓頭的遠離模腔的第一臺階部的直徑與外壓頭的直徑一致，可以減小外壓頭的受力，增加其壽命，所有的壓力傳遞和變化過程全部在內壓頭上完成。且通過使內壓頭的接近模腔的第二臺階部的直徑與內模的內徑一致，可保證粉末樣品被束縛在裝置內部，保證所有壓力能夠施加于樣品之上。
[0029]又，在本實用新型中，也可以，所述內壓頭包括與所述物體抵接的頭部和與所述外壓頭抵接的墊片部。
[0030]根據本實用新型，通過將內壓頭設計為包括與粉末樣品抵接的頭部和與外壓頭抵接的墊片部，可以在燒結前更便于粉末樣品的裝料，可以節(jié)省時間、提高效率；并且，也可以在燒結后更便于燒成樣品的脫模。
[0031 ] 又，在本實用新型中，也可以，還包括設置于所述外模中的熱電偶插孔。
[0032]根據本實用新型，可以在該模具適用于放電等離子燒結時，將通電電極插入設置于外模上的熱電偶插孔中，以進行放電等離子燒結。
[0033]本實用新型可包含權利要求書和/或說明書和/或附圖中公開的至少兩個結構的任意組合。尤其是，本實用新型包含權利要求書的各項權利要求的兩個以上的任意組合。
[0034]根據下述【具體實施方式】并參考附圖，將更好地理解本實用新型的上述及其他目的、特征和優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是現有技術中的石墨模具的示意性縱向剖視圖；[0036]圖2是根據本實用新型的高壓模具的一實施形態(tài)的示意性縱向剖視圖；
[0037]圖3是根據本實用新型的高壓模具的內壓頭的另一實施形態(tài)的結構示意圖；
[0038]圖4是根據本實用新型的高壓模具的內壓頭的又一實施形態(tài)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和具體實施形態(tài)對本實用新型的技術方案做進一步闡述。
[0040]圖2示出了根據本實用新型的高壓模具20的一實施形態(tài)的示意性縱向剖視圖。如圖2所示，該高壓模具20包括中空的外模22。在本實施形態(tài)中，該外模22可以是石墨模具，從而具有良好的導電和導熱性能，以實現快速升溫并能為內模提供一個恒定的溫場。
[0041]該高壓模具20還包括設置于外模22的中空腔體的上下兩端處的一對外壓頭21、24。在本實施形態(tài)中，該對外壓頭21、24的高度為20?40mm，其直徑尺寸與外模22的內徑—致。
[0042]且該高壓模具20還包括嵌套于外模22的中空腔體中的中空的內模27。在本實施形態(tài)中，內模27可以選用碳化硅或碳化鎢材質，碳化硅或碳化鎢材質具有很高的抗壓強度且具有較好的導熱性能，尤其是具有與上述外模22的材質石墨相吻合的熱膨脹系數。并且還可以使內模27能夠承受壓強I?2Gpa，從而為諸如粉末樣品的待成型物體提供一個高壓環(huán)境。
[0043]該高壓模具20還包括設置于內模27的中空腔體的上下兩端處且與上述一對外壓頭21、24相抵接的一對內壓頭25、28。內模27與該對內壓頭25、28之間的空間構成容納待成型的物體26 (例如粉末樣品)的模腔29。且該對內壓頭21、24的與物體26抵接處的橫截面積小于該對外壓頭25、28的橫截面積。
[0044]由此，本實用新型的高壓模具20由外模22和內模27嵌套式構成，利用外壓頭21、24和內壓頭25、28的橫截面積差增大施加于諸如粉末的待成型的物體26上的壓強，從而構成產生高壓強(例如高達IGPa)的適用于進行高壓合成的高壓模具。
[0045]進一步地，在本實用新型的高壓模具20中，外模22的內徑是內模27的內徑的4?6倍。此外，在本實施形態(tài)中，外模的高度可以為100?140mm,其外徑可以為90?150mm。而內模27的高度可以為30?40臟，其內徑可以為8?12mm。優(yōu)選地，內模27的外徑可以與外模22的內徑一致，以使內外模緊密貼合，以利于熱傳導。
[0046]還如圖2所示，上述內壓頭25、28可以形成為向著模腔29而直徑逐漸減小的臺階狀形狀。從而可以實現所施加的壓強的逐級變化，既能保證施加于粉末樣品26上足夠大的壓強，又能有效保護外模22不受損壞。該內壓頭可以形成為多級臺階，例如二級、三級或以上。
[0047]在圖2所示的實施形態(tài)中，內壓頭25、28形成為三級臺階，其中遠離模腔29的第一臺階部251、281的高度可以為5?6mm，且其直徑與外壓頭21、24的直徑一致。而內壓頭25,28的接近模腔29的第二臺階部252、282的高度可以為30?35mm，且其直徑與內模27的內徑一致，在本實施形態(tài)中例如可以為8?12mm。此外，位于中間的第三臺階部253、283的高度可以為8?12mm,其直徑可以為20?25_。
[0048]在圖2所示的實施形態(tài)中，該內壓頭25、28可以是一體成型的部件。但是，圖3和圖4示出了根據本實用新型的高壓模具的內壓頭的其他實施形態(tài)的結構示意圖，在圖3和圖4中以下壓頭38、48為例進行圖示。如圖3和圖4所示，該內壓頭38、48可分別包括上述粉末樣品26抵接的頭部381、481和與外壓頭24抵接的墊片部382、482。
[0049]由此，通過將內壓頭設計為包括與粉末樣品抵接的頭部和與外壓頭抵接的墊片部，可以在燒結前更便于粉末樣品的裝料，可以節(jié)省時間、提高效率；并且，也可以在燒結后更便于燒成樣品的脫模。
[0050]更具體地，如圖3所示，該內壓頭38的頭部381的高度可以為20?25mm，其直徑與內模27的內徑一致，例如為8?12mm。且該內壓頭38的墊片部382具有兩級臺階部，其中遠離頭部381的臺階部3822的高度可以為5?6mm，其直徑與外壓頭21、24的直徑一致，而接近頭部381的臺階部3821的高度可以為10?15mm，其直徑可以為20?22mm。
[0051]又，如圖4所示，該內壓頭48的頭部481具有兩級臺階，接近墊片部482的臺階部4812的高度可以為8?12mm,其直徑可以為20?22mm,而遠離墊片部482的臺階部4811的高度可以為30?35mm，其直徑與內模27的內徑一致，例如為8?12mm。而墊片部482的高度可以為5?6mm，其直徑與外壓頭21、24 —致。
[0052]然而，與上述圖3和圖4所示的內壓頭的結構相比，圖2中的一體型的內壓頭25、28的使用壽命更長，可以避免在長期使用過程中壓頭的頭部和墊片部的接觸面易出現損耗，使其使用壽命降低的情況。
[0053]又，在本實用新型中，也可以，還包括設置于所述外模中的熱電偶插孔。
[0054]此外，在本實用新型的高壓模具適用于放電等離子燒結時，該高壓模具20還可以包括設置于外模22中的熱電偶插孔23，可將通電電極插入于該熱電偶插孔23中，以進行放電等離子燒結。
[0055]本實用新型的高壓模具不僅可以用于常規(guī)環(huán)境，如粉末樣品的冷壓成型等，并能應用于熱壓燒結和放電等離子體等燒結設備。利用本實用新型的高壓模具作為燒結模具可以將熱壓和放電等離子燒結的壓強范圍擴展至IOOMPa?2GPa，實現了高壓合成技術在熱壓燒結和放電等離子燒結領域的應用。從而，可以在新型功能材料和納米材料的制備、開發(fā)方面有效地發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。
[0056]在不脫離本實用新型的基本特征的宗旨下，本實用新型可體現為多種形式，因此本實用新型中的實施形態(tài)是用于說明而非限制，由于本實用新型的范圍由權利要求限定而非由說明書限定，而且落在權利要求界定的范圍，或其界定的范圍的等價范圍內的所有變化都應理解為包括在權利要求書中。
【權利要求】
1.一種高壓模具，其特征在于，包括: 中空的外模； 設置于所述外模的中空腔體的上下兩端處的一對外壓頭； 嵌套于所述外模的中空腔體中的中空的內模；以及 設置于所述內模的中空腔體的上下兩端處且與所述一對外壓頭相抵接的一對內壓頭; 所述內模與所述一對內壓頭之間的空間構成容納待成型的物體的模腔； 所述內壓頭的與所述物體抵接處的橫截面積小于所述外壓頭的橫截面積。
2.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述外模是石墨模具。
3.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述內模是碳化硅模具或碳化鎢模具。
4.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述外模的內徑是所述內模的內徑的4?6倍。
5.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述內模的外徑與所述外模的內徑—致。
6.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述外壓頭的直徑與所述外模的內徑一致。
7.根據權利要求1所述的高壓模具，其特征在于，所述內壓頭形成為向著所述模腔而直徑逐漸減小的臺階狀形狀。
8.根據權利要求7所述的高壓模具，其特征在于，所述內壓頭的遠離所述模腔的第一臺階部的直徑與所述外壓頭的直徑一致，且所述內壓頭的接近所述模腔的第二臺階部的直徑與所述內模的內徑一致。
9.根據權利要求7所述的高壓模具，其特征在于，所述內壓頭包括與所述物體抵接的頭部和與所述外壓頭抵接的墊片部。
10.根據上述權利要求1至9中任一項所述的高壓模具，其特征在于，還包括設置于所述外模中的熱電偶插孔。
【文檔編號】B01J3/06GK203710985SQ201320857458
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】史迅, 李宇龍, 陳立東, 羅濤, 仇鵬飛 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所