01为什么选高纯石墨，而不是钢模或硬质合金

金刚石铜的热压区间在850至1100℃，这个温度下碳钢早就软了，硬质合金里的钴粘结相在真空里会挥发，还会跟铜发生润湿反应。石墨是这套工况下少数几个站得住的材料，原因有四条：

• 耐温够用：石墨在惰性或真空环境里可以用到2000℃以上，1100℃对它属于轻松区间，不会出现高温蠕变导致的型腔鼓胀。
• 自润滑：石墨层状结构本身就是固体润滑剂，压头在模套里上下走动阻力小，脱模时不容易把样品侧壁刮花。
• 跟铜不反应：铜在1000℃上下对石墨有微弱润湿，但不会像对铁那样形成连续界面合金层，卸压后样品能整块取出来。
• 易加工：石墨可以用车、铣、磨、线切割做到±0.02mm，型腔尺寸修改方便，打样阶段改几版不心疼。

纯度等级上，做金刚石铜建议选灰分低于500ppm的等静压石墨，体积密度1.75至1.85g/cm³，肖氏硬度60左右。低于这个密度的料子，孔隙多、吸潮、容易掉渣压进样品表面；纯度不够（灰分超过1000ppm）的料子里含Si、Fe等杂质，高温下会跟铜形成低熔点相，样品边缘一圈发黑。别拿电极石墨凑合做型腔——电极石墨颗粒粗、各向异性明显，烧十几炉就开裂。

02模具结构分解：一套φ12.7试样模长什么样

科研端做金刚石铜配方筛选，最常用的是φ12.7mm（半英寸）试样模，一次烧一片Φ12.7×5mm左右的圆片，拿来测热导率、热膨胀系数、密度。这套小模子结构简单，但五脏俱全，看懂它，再放大到批量模就是尺寸和强度问题。

拆开看，这套模子由五部分组成：

• 模套（中模）：圆筒，外径一般φ40至φ50mm，壁厚12至15mm，内孔φ12.7mm。它要承受粉体被挤压时的径向扩张力。
• 上压头／下压头：实心石墨圆柱，直径比模套内孔小0.03至0.05mm，间隙过大漏粉、过小卡死。压头高度一般30至40mm，太短压力下容易弯折。
• 试样腔：上下压头之间、模套以内的空间，就是装粉体的地方。
• 保温毡：模套外面包一层软碳毡或硬石墨毡，厚度10至20mm，减少径向散热，让型腔轴向温度更均匀。
• 导电电极（石墨柱）：下压头下面再垫两根石墨柱，一直顶到压机上下砧，既导电又传力。

详细的炉子工作原理和温度压力曲线在前两篇里讲过，这里不再重复。这一篇的关注点只有一个：模具这一层怎么设计才不出问题。

03型腔尺寸设计：收缩率补偿与膨胀系数匹配

样品从1000℃冷却到室温，尺寸会收缩。金刚石铜复合材料的热膨胀系数在4.9至8.5×10⁻⁶/K区间（25至300℃段），具体数值随金刚石体积分数和粒度变化；而石墨模套本身的热膨胀系数（CIG）在室温至1000℃约为3.5至5.0×10⁻⁶/K。两者存在差异，冷却时收缩步调不同，这就是脱模阻力的来源，也是侧面起层、样品夹裂的根源。

型腔直径上留不留收缩量？做金刚石铜一般不留额外收缩补偿——因为热压是在高温下把粉体压到致密，样品尺寸基本由模具内孔决定，冷却收缩是样品和模套一起缩，模套缩得慢一点，样品被"抱紧"，正好靠石墨纸润滑滑出来。型腔直径直接按目标样品直径加工即可，公差取+0.02/-0.00mm。

真正要注意的是两个细节：

• 型腔口部圆角：模套上下两端内孔口必须倒R0.5至R1mm圆角。直角口部在高压下是应力集中点，几百炉下来先从口部裂。
• 型腔粗糙度：内孔磨到Ra0.8以下。粗壁会挂粉，压头下行阻力不均，样品侧面出现一道一道的"擦痕层"，切性能样时直接报废。

04大批量承压设计：20至100MPa下模套不能裂

科研小模φ12.7mm，压力30MPa换算成吨位只有不到4kN，模套壁厚随便留都够。一旦做到批量——比如φ50mm、φ80mm甚至多腔一模出六片——径向胀力按面积放大，模套壁厚必须重新校核。

模套强度校核可以按厚壁圆筒近似：内压p作用下，模套外径D与内径d的比值建议控制在1.8至2.2之间。比如φ50mm内孔，外径做到φ100至φ110mm比较稳妥。石墨的抗拉强度低（一般30至50MPa），不能像钢模那样靠过盈套一个钢外套——钢套和石墨膨胀系数差一个数量级，高温下钢套把石墨夹碎。要增加强度就靠加厚石墨套本身，外面不套钢圈。

多腔模还要看温度均匀性。每个腔都是一个发热体（压头-电极-粉体回路），腔与腔之间靠石墨板传热，腔间距太小会出现中间腔温度偏高、边腔偏低的情况，样品密度不一致。腔间距留15mm以上，必要时在多腔模外围多加一圈保温毡。

05装料工艺：逐层铺粉、振实、垫石墨纸

装粉这一步看似简单，实际是侧面起层的主要来源。金刚石铜混合粉一般是50vol%金刚石（粒径66至701μm，按配方搭配粗细级配）加铜粉或铜合金粉。金刚石颗粒硬、铜粉软，一次倒进去振不实，高低密度区在压力下位移不同步，就会分层。

装料的实操要点：

• 分两到三层铺：先倒约一半粉，用振动台或橡皮锤轻敲模套侧壁30秒；再倒另一半，再敲。不要一次倒满。
• 振实密度：装粉后初始高度与最终压坯高度之比（压缩比）控制在2.5:1至3.5:1。压缩比太大，压头行程过长，压力曲线前段空走，实际致密化时间被吃掉。
• 石墨纸隔离：下压头先垫一片0.2mm厚柔性石墨纸，铺完粉、放上压头之前，粉体顶面再盖一片。石墨纸一防压头粘铜，二让压力分布更平。石墨纸直径比型腔大2mm，边缘留出模套口。
• 刮平：最后一层粉倒完，用薄石墨片或直尺沿模套口刮平，不要用金属刀——金属屑掉进腔体烧进去就是杂质点。

06脱模要点：温度、润滑、力度三件事

脱模做不好，前面所有功夫白费。常见错误是炉温还没降下来就急着脱模，或者冷却后直接用压机反顶把样品顶出来。

正确的节奏是：

• 脱模温度：炉冷到200℃以下再开炉取模。金刚石铜样品在高温下还带着压应力，太早脱模，样品出模后会因为内应力释放翘曲。200℃以下铜的屈服强度已经回升，形状稳得住。
• 润滑辅助：石墨纸是第一道。如果样品还是粘模，下炉在模套内壁喷一层薄的氮化硼（BN）脱模剂，晾干后再装粉。BN涂层不要喷太厚，0.01mm量级就行，厚了会夹在样品侧面。
• 脱模方式：优先"负压脱模"——把模套放在专用脱模架上，下压头从下往上慢慢推，样品靠自重和压头推力滑出。不要用压机大吨位硬顶，硬顶容易把样品边角崩掉。φ12.7的小样品用手推压头就能出来，φ50以上才用小型脱模压机，压力控制在5kN以内。
• 防崩角：脱模架上放一圈软石墨垫或石墨纸托住样品，样品滑出时不会直接砸在金属台面上。

07模具寿命与维护：什么时候该修，什么时候该扔

石墨模具是有寿命的。一套φ12.7小模在正常工艺下能烧200至300炉；φ50以上的批量模80至150炉就要检查。判断依据不是烧了多少炉，而是看下面几个征兆：

• 型腔内壁出现纵向裂纹：裂纹深度超过壁厚1/3，模套必须报废，不能补。石墨裂纹不会焊补，粘起来强度也不够。
• 压头端面出现凹陷或掉渣：压头端面被高压粉体压出凹坑，下一片样品端面就不平。端面可以上平面磨床磨掉0.2至0.3mm找平，一般能修2至3次。
• 型腔口部圆角变尖：反复装粉、脱模把圆角磨掉了，重新倒一次R0.5mm就能继续用。
• 模套外壁氧化变粗糙：真空炉偶尔漏氧，模套外壁烧出一层疏松氧化层。不影响型腔的话，上车床车掉外皮1mm继续用；已经氧化到壁厚的，报废。

想延长寿命，可以在模套外壁刷一层石墨抗氧化涂层（玻璃相或磷酸盐基），烧炉时减少氧化消耗。型腔内部不要刷涂层——涂层成分会污染样品。

08典型问题与对策

09志远真空热压炉对模具装卸的友好设计

模具设计得再合理，炉子装卸口不顺手也是白搭。志远在金刚石铜真空热压炉的结构上，专门针对石墨模具做了几处适配：上下电极工作面加大到φ120mm以上，多腔模放得下；炉腔高度预留余量，装完模套、保温毡、上下石墨柱后不会顶死；下电极带自动对中结构，模套放上去不用反复调整同轴度；压头行程开关可设定到±0.5mm，压头走到位置自动保压，不会过压把模套压裂。做金刚石铜配方摸索的客户，模具改了几版，炉子这边不用动，直接换模就接着烧。

1012组常见问题答疑

Q1：石墨纯度选几级？电极石墨能不能用？

做金刚石铜型腔选等静压石墨，灰分低于500ppm，体积密度1.75g/cm³以上。电极石墨颗粒粗、孔隙多，烧十几炉就掉渣压进样品表面，不能做型腔，只能做外围支撑柱。

Q2：模套壁厚到底留多少？

按外径/内径比值1.8至2.2估算。φ12.7内径做到φ45外径；φ50内径做到φ100至φ110外径。壁厚不够，高压下模套从口部先裂。

Q3：为什么非要垫石墨纸？直接装粉不行吗？

石墨纸起两个作用：一是防压头端面粘铜，二是让压力在粉面上分布更均匀。不垫石墨纸，压头直接碰铜粉，烧完脱模时压头跟样品焊在一起，硬拔就崩角。

Q4：脱模温度降到多少合适？

200℃以下再开炉取模。高温下样品带着压应力，早脱模会翘曲；200℃以下铜的屈服强度回升，形状稳定，脱模后不变形。

Q5：一套石墨模具能烧多少炉？

φ12.7小模200至300炉；φ50至φ80批量模80至150炉；多腔模100至200炉。实际寿命看操作，不分层装粉、不超压、及时修压头端面，能跑到上限。

Q6：多腔模具各腔温度差多少算正常？

腔间温差控制在15℃以内。超过这个数，中间腔样品密度偏高、边腔偏低，性能数据不可比。温差大就加大腔间距、加厚外围保温毡。

Q7：压头平行度要做到多少？

单片压头与模套配合间隙0.03至0.05mm；多腔模所有压头端面齐平公差≤0.01mm。平行度差0.05mm，高压下短的那腔受力明显偏小。

Q8：能不能用硬质合金模代替石墨？

不建议。硬质合金含钴粘结相，1000℃真空下钴会挥发，还会跟铜润湿反应，样品表面污染。硬质合金适合500℃以下的金属粉末冷压，不适合金刚石铜热压。

Q9：石墨模具会掉渣吗？掉进去怎么办？

低密度石墨在反复冷热循环下会掉表面颗粒。掉进去的石墨夹在样品里就是碳夹杂，切割电镜样时看得到黑点。选高密度等静压料、型腔磨到Ra0.8以下能缓解；发现掉渣严重就换模。

Q10：模具和真空室壁之间留多大间隙？

模套外围包10至20mm保温毡后，再与炉壁留10至15mm空隙。太近炉壁散热大，模套外壁氧化快；太远炉温均匀性差。

Q11：样品粘模了怎么处理？

先确认脱模温度是否够低（200℃以下）。温度到了还粘，下炉在模套内壁喷一层薄BN脱模剂；已经粘住的样品，不要硬顶，把模套连同样品一起放进炉里重新抽真空加热到600℃，保温10分钟再随炉冷，石墨纸软化后能滑出来。

Q12：压头和模套磨损了能修几次？

压头端面磨损可以上平面磨床磨掉0.2至0.3mm找平，一般修2至3次；模套内壁磨损到间隙超过0.1mm、漏粉严重时，整根报废，不要靠加大压头外径补救。

金刚石铜热压的工装细节，说到底就是几个数字：壁厚1.8至2.2倍内径、压缩比3:1以内、脱模温度200℃以下、腔间距15mm以上、压头齐平0.01mm。把这些数字卡住，炉子参数跟着工艺走，样品良率自然上来。需要选型或定制多腔石墨模具，可参考真空热压炉结构与模具适配方案，或直接对接技术团队确认型腔尺寸和承压设计。更多金刚石铜真空热压工艺与模具配套的实操案例，也可在设备选型阶段一并沟通。