高压模具的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高压模具，包括：中空的外模；设置于所述外模的中空腔体的上下两端处的一对外压头；嵌套于所述外模的中空腔体中的中空的内模；以及设置于所述内模的中空腔体的上下两端处且与所述一对外压头相抵接的一对内压头；所述内模与所述一对内压头之间的空间构成容纳待成型的物体的模腔；所述内压头的与所述物体抵接处的横截面积小于所述外压头的横截面积。本实用新型的高压模具能产生高压强以适用于进行高压合成。
【专利说明】高压模具
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及高压装置，具体地，涉及能应用于冷压成型、甚至热压或放电等离子体等烧结设备的用于进行高压合成的高压模具。
【背景技术】
[0002]高压合成技术是一种在高压下合成新物质、新材料的制备手段，在最近几十年间发展极其迅速，其在高温高硬度材料、超导材料、半导体材料等新材料研究中得到了广泛的应用，是当前无机固态及固态材料合成中的一种重要方法。在冷压成型、热压烧结、放电等离子体烧结等应用中，常规压力都在IOOMPa以内，因此压力≥IOOMPa下进行的合成可以称之为高压合成；另一方面，在一些固态物质的合成领域，合成压力> IGPa亦可称之为高压合成。
[0003]高压合成的优势在于高压作用可以缩短原子间距，从而引起物质性质和性能的改变，如能带宽度、态密度、有效质量等的改变，进而获得一些新现象和新效应，可以有效改善材料的性能。其次，高压还可以通过增加压强来改变物相的热力学参数，从而获得一些新相和新物质。
[0004]故而高压合成拓宽了现有物质的相空间，一般物质在整个压强的变化范围内存在5种不同的结构，如果在温度和组分的物相空间中再加上压力的作用，将会极大的扩展寻找新材料的空间。再者,高压合成过程中不会引进其他物质,清洁高效,并且具有合成材料迅速的特点，与常压下制备材料相比，高压作用下的化学反应只需极短的时间就可以完成，极大的缩短了材料的制备周期。因此，高压对材料影响的研究以及高压装置的设计和构造在科学、工程等领域都备受关注。
[0005]此外，热压烧结(Hot Pressed Sintering,简称HPS)是将干燥粉料充填入模具内，再从单轴方向边加压(一般为10~40MPa，取决于模具所能承受的压强)边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于流动传质和致密化，因而可降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的样品。
[0006]另外，放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是将粉末样品装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将压力和脉冲电流施加于烧结粉末，经等离子体放电活化和热塑变形制取高性能材料的一种粉末烧结技术。放电等离子烧结具有十分明显的工艺优势:其加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织结构可控，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件等。
[0007]随着高新技术产业的发展，新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加，上述热压烧结和放电等离子烧结在新材料的研究和生产领域中发挥着重要作用。
[0008]基于热压烧结和放电等离子烧结的高压烧结技术，不仅可以实现低温快速烧结，并能够在严格控制材料的微观组织结构的同时，改变和调控材料的物理、化学参数，因而在制备和发现新型功能材料以及改善材料性能方面具有独特的优势。热压烧结与放电等离子烧结都需要一个模具装置完成对粉体的烧结制备，其模具要求具有高强度，能耐高温、抗氧化，且不与烧结材料黏结，热膨胀系数与烧结材料一致或近似，因此最广泛使用的是石墨模具。
[0009]现有技术中的石墨模具的示意性纵向剖视图如图1所示，模具10具备:中空的模体11和设置于该模体11的中空腔体的上下两端处的一对压头，即上压头13和下压头14。该模体11与一对压头13、14之间的空间构成容纳待成型物体(例如粉末样品15)的模腔16。此外，该模具10在适用于放电等离子烧结时，还可以具备设置于模体11中的热电偶插孔12，以在其中插入通电电极。
[0010]在烧结过程中，压力直接施加于上压头13、下压头14和粉末样品15，以完成烧结。然而，石墨模具最大可承受的压强为80~lOOMPa，因此，热压烧结和放电等离子体烧结的压力范围一般为10~60MPa，无法直接利用其实现高压烧结(压强≥100MPa),限制了高压合成技术在热压烧结和放电等离子烧结领域的应用。
实用新型内容[0011]鉴于以上所述，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能产生高压强的适用于进行高压合成的高压模具。
[0012]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高压模具，包括:中空的外模；设置于所述外模的中空腔体的上下两端处的一对外压头；嵌套于所述外模的中空腔体中的中空的内模；以及设置于所述内模的中空腔体的上下两端处且与所述一对外压头相抵接的一对内压头；所述内模与所述一对内压头之间的空间构成容纳待成型的物体的模腔；所述内压头的与所述物体抵接处的横截面积小于所述外压头的横截面积。
[0013]根据本实用新型的高压模具由外模和内模嵌套式构成，利用外压头和内压头的横截面积差增大施加于诸如粉末的待成型的物体上的压强，从而构成产生高压强的适用于进行高压合成的高压模具。
[0014]本实用新型的高压模具不仅可以用于常规环境，如粉末样品的冷压成型等，并能应用于热压烧结和放电等离子体等烧结设备。利用本实用新型的高压模具作为烧结模具可以将热压和放电等离子烧结的压强范围扩展至IOOMPa~2GPa，实现了高压合成技术在热压烧结和放电等离子烧结领域的应用。从而，可以在新型功能材料和纳米材料的制备、开发方面有效地发挥其独特优势。
[0015]又，在本实用新型中，也可以，所述外模是石墨模具。
[0016]根据本实用新型，由于石墨材质具有良好的导电、导热性，且能够耐高温、抗氧化，从而使得由石墨模具构成的外模能够具有良好的导电和导热性能，以实现快速升温并能为内模提供一个恒定的温场。
[0017]又，在本实用新型中，也可以，所述内模是碳化硅模具或碳化钨模具。
[0018]根据本实用新型，内模选用碳化硅或碳化钨材质，碳化硅或碳化钨材质具有很高的抗压强度且具有较好的导热性能，尤其是与外层石墨相吻合的热膨胀系数。由此，使得与粉末样品直接接触的内模能够承受压强I~2Gpa，从而为粉末样品提供一个高压环境，并且具有较好的导热性能以及与外层模具相吻合的热膨胀系数。[0019]又，在本实用新型中，也可以，所述外模的内径是所述内模的内径的4?6倍。
[0020]根据本实用新型，通过使外模的内径是内模的内径的4?6倍，可以在满足能够应用于冷压成型、热压或放电等离子体等烧结设备的同时，确保为粉末样品提供足够高的压力。
[0021]又，在本实用新型中，也可以，所述内模的外径与所述外模的内径一致。
[0022]根据本实用新型，内模的外径与外模的内径一致，以使内外模紧密贴合，以利于热传导。
[0023]又，在本实用新型中，也可以，所述外压头的直径与所述外模的内径一致。
[0024]根据本实用新型，外压头的直径与外模的内径一致，这是由于一般模具装置的压头和模具是需要紧密结合为一个整体的，除此之外，对于本实用新型，一方面，使外压头直径达到最大，可以尽量减小其承受的压强，增加寿命；其次，在用于热压或放电等离子体等烧结设备时，紧密接触以保证烧结过程中热量顺利传递。
[0025]又，在本实用新型中，也可以，所述内压头形成为向着所述模腔而直径逐渐减小的台阶状形状。
[0026]根据本实用新型，内压头形成为向着模腔而直径逐渐减小的台阶状形状，从而实现所施加的压强的逐级变化，既能保证施加于粉末样品上足够大的压强，又能有效保护外模不受损坏。
[0027]又，在本实用新型中，也可以，所述内压头的远离所述模腔的第一台阶部的直径与所述外压头的直径一致，且所述内压头的接近所述模腔的第二台阶部的直径与所述内模的
内径一致。
[0028]根据本实用新型，通过使内压头的远离模腔的第一台阶部的直径与外压头的直径一致，可以减小外压头的受力，增加其寿命，所有的压力传递和变化过程全部在内压头上完成。且通过使内压头的接近模腔的第二台阶部的直径与内模的内径一致，可保证粉末样品被束缚在装置内部，保证所有压力能够施加于样品之上。
[0029]又，在本实用新型中，也可以，所述内压头包括与所述物体抵接的头部和与所述外压头抵接的垫片部。
[0030]根据本实用新型，通过将内压头设计为包括与粉末样品抵接的头部和与外压头抵接的垫片部，可以在烧结前更便于粉末样品的装料，可以节省时间、提高效率；并且，也可以在烧结后更便于烧成样品的脱模。
[0031 ] 又，在本实用新型中，也可以，还包括设置于所述外模中的热电偶插孔。
[0032]根据本实用新型，可以在该模具适用于放电等离子烧结时，将通电电极插入设置于外模上的热电偶插孔中，以进行放电等离子烧结。
[0033]本实用新型可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本实用新型包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。
[0034]根据下述【具体实施方式】并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是现有技术中的石墨模具的示意性纵向剖视图；[0036]图2是根据本实用新型的高压模具的一实施形态的示意性纵向剖视图；
[0037]图3是根据本实用新型的高压模具的内压头的另一实施形态的结构示意图；
[0038]图4是根据本实用新型的高压模具的内压头的又一实施形态的结构示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和具体实施形态对本实用新型的技术方案做进一步阐述。
[0040]图2示出了根据本实用新型的高压模具20的一实施形态的示意性纵向剖视图。如图2所示，该高压模具20包括中空的外模22。在本实施形态中，该外模22可以是石墨模具，从而具有良好的导电和导热性能，以实现快速升温并能为内模提供一个恒定的温场。
[0041]该高压模具20还包括设置于外模22的中空腔体的上下两端处的一对外压头21、24。在本实施形态中，该对外压头21、24的高度为20?40mm，其直径尺寸与外模22的内径—致。
[0042]且该高压模具20还包括嵌套于外模22的中空腔体中的中空的内模27。在本实施形态中，内模27可以选用碳化硅或碳化钨材质，碳化硅或碳化钨材质具有很高的抗压强度且具有较好的导热性能，尤其是具有与上述外模22的材质石墨相吻合的热膨胀系数。并且还可以使内模27能够承受压强I?2Gpa，从而为诸如粉末样品的待成型物体提供一个高压环境。
[0043]该高压模具20还包括设置于内模27的中空腔体的上下两端处且与上述一对外压头21、24相抵接的一对内压头25、28。内模27与该对内压头25、28之间的空间构成容纳待成型的物体26 (例如粉末样品)的模腔29。且该对内压头21、24的与物体26抵接处的横截面积小于该对外压头25、28的横截面积。
[0044]由此，本实用新型的高压模具20由外模22和内模27嵌套式构成，利用外压头21、24和内压头25、28的横截面积差增大施加于诸如粉末的待成型的物体26上的压强，从而构成产生高压强(例如高达IGPa)的适用于进行高压合成的高压模具。
[0045]进一步地，在本实用新型的高压模具20中，外模22的内径是内模27的内径的4?6倍。此外，在本实施形态中，外模的高度可以为100?140mm,其外径可以为90?150mm。而内模27的高度可以为30?40臟，其内径可以为8?12mm。优选地，内模27的外径可以与外模22的内径一致，以使内外模紧密贴合，以利于热传导。
[0046]还如图2所示，上述内压头25、28可以形成为向着模腔29而直径逐渐减小的台阶状形状。从而可以实现所施加的压强的逐级变化，既能保证施加于粉末样品26上足够大的压强，又能有效保护外模22不受损坏。该内压头可以形成为多级台阶，例如二级、三级或以上。
[0047]在图2所示的实施形态中，内压头25、28形成为三级台阶，其中远离模腔29的第一台阶部251、281的高度可以为5?6mm，且其直径与外压头21、24的直径一致。而内压头25,28的接近模腔29的第二台阶部252、282的高度可以为30?35mm，且其直径与内模27的内径一致，在本实施形态中例如可以为8?12mm。此外，位于中间的第三台阶部253、283的高度可以为8?12mm,其直径可以为20?25_。
[0048]在图2所示的实施形态中，该内压头25、28可以是一体成型的部件。但是，图3和图4示出了根据本实用新型的高压模具的内压头的其他实施形态的结构示意图，在图3和图4中以下压头38、48为例进行图示。如图3和图4所示，该内压头38、48可分别包括上述粉末样品26抵接的头部381、481和与外压头24抵接的垫片部382、482。
[0049]由此，通过将内压头设计为包括与粉末样品抵接的头部和与外压头抵接的垫片部，可以在烧结前更便于粉末样品的装料，可以节省时间、提高效率；并且，也可以在烧结后更便于烧成样品的脱模。
[0050]更具体地，如图3所示，该内压头38的头部381的高度可以为20?25mm，其直径与内模27的内径一致，例如为8?12mm。且该内压头38的垫片部382具有两级台阶部，其中远离头部381的台阶部3822的高度可以为5?6mm，其直径与外压头21、24的直径一致，而接近头部381的台阶部3821的高度可以为10?15mm，其直径可以为20?22mm。
[0051]又，如图4所示，该内压头48的头部481具有两级台阶，接近垫片部482的台阶部4812的高度可以为8?12mm,其直径可以为20?22mm,而远离垫片部482的台阶部4811的高度可以为30?35mm，其直径与内模27的内径一致，例如为8?12mm。而垫片部482的高度可以为5?6mm，其直径与外压头21、24 —致。
[0052]然而，与上述图3和图4所示的内压头的结构相比，图2中的一体型的内压头25、28的使用寿命更长，可以避免在长期使用过程中压头的头部和垫片部的接触面易出现损耗，使其使用寿命降低的情况。
[0053]又，在本实用新型中，也可以，还包括设置于所述外模中的热电偶插孔。
[0054]此外，在本实用新型的高压模具适用于放电等离子烧结时，该高压模具20还可以包括设置于外模22中的热电偶插孔23，可将通电电极插入于该热电偶插孔23中，以进行放电等离子烧结。
[0055]本实用新型的高压模具不仅可以用于常规环境，如粉末样品的冷压成型等，并能应用于热压烧结和放电等离子体等烧结设备。利用本实用新型的高压模具作为烧结模具可以将热压和放电等离子烧结的压强范围扩展至IOOMPa?2GPa，实现了高压合成技术在热压烧结和放电等离子烧结领域的应用。从而，可以在新型功能材料和纳米材料的制备、开发方面有效地发挥其独特优势。
[0056]在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
【权利要求】
1.一种高压模具，其特征在于，包括: 中空的外模； 设置于所述外模的中空腔体的上下两端处的一对外压头； 嵌套于所述外模的中空腔体中的中空的内模；以及 设置于所述内模的中空腔体的上下两端处且与所述一对外压头相抵接的一对内压头; 所述内模与所述一对内压头之间的空间构成容纳待成型的物体的模腔； 所述内压头的与所述物体抵接处的横截面积小于所述外压头的横截面积。
2.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述外模是石墨模具。
3.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述内模是碳化硅模具或碳化钨模具。
4.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述外模的内径是所述内模的内径的4?6倍。
5.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述内模的外径与所述外模的内径—致。
6.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述外压头的直径与所述外模的内径一致。
7.根据权利要求1所述的高压模具，其特征在于，所述内压头形成为向着所述模腔而直径逐渐减小的台阶状形状。
8.根据权利要求7所述的高压模具，其特征在于，所述内压头的远离所述模腔的第一台阶部的直径与所述外压头的直径一致，且所述内压头的接近所述模腔的第二台阶部的直径与所述内模的内径一致。
9.根据权利要求7所述的高压模具，其特征在于，所述内压头包括与所述物体抵接的头部和与所述外压头抵接的垫片部。
10.根据上述权利要求1至9中任一项所述的高压模具，其特征在于，还包括设置于所述外模中的热电偶插孔。
【文档编号】B01J3/06GK203710985SQ201320857458
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】史迅, 李宇龙, 陈立东, 罗涛, 仇鹏飞 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所