放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering）即SPS，是將金屬、陶瓷等粉末裝入模具內(nèi)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻而完成，是制取高性能材料的一種粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。

 

    放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在燒結(jié)過程中加壓，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度。具有升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點(diǎn)。

 

脈沖電流通過粉末粒子

 

SPS在材料制備中的應(yīng)用

 

    由于SPS獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)理，SPS技術(shù)具有升溫速度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，SPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于納米材料、梯度功能材料、金屬材料、磁性材料、復(fù)合材料、陶瓷等材料的制備。

 

 

納米材料

 

    傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)、熱等靜壓等方法制備納米材料，很難保證晶粒的納米尺寸，又達(dá)到完全致密的要求。利用SPS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用SPS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用SPS能快速降溫這一特點(diǎn)來控制燒結(jié)過程的反應(yīng)歷程，避免一些不必要的反應(yīng)發(fā)生，這就可能使粉末中的缺陷和亞結(jié)構(gòu)在燒結(jié)后的塊體材料中得以保留，在更廣泛的意義上說，這一點(diǎn)有利于合成介穩(wěn)材料，特別有利于制備納米材料。

 

梯度功能材料

 

    梯度功能材料(FGM)是一種組成在某個(gè)方向上梯度分布的復(fù)合材料，各層的燒結(jié)溫度不同，利用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以一次燒成。利用CVD ,PVD等方法制備梯度材料，成本很高，也很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。通過SPS技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。

 

    SPS可以制造陶瓷/金屬、聚合物/金屬以及其他耐熱梯度、耐磨梯度、硬度梯度、導(dǎo)電梯度、孔隙度梯度等材料。梯度層可到10多層，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。

 

高致密度、細(xì)晶粒陶瓷和金屬陶瓷

 

    在SPS過程中，樣品中每一個(gè)粉末顆粒及其相互間的空隙本身都可能是發(fā)熱源。用通常方法燒結(jié)時(shí)所必需的傳熱過程在SPS過程中可以忽略不計(jì)。因此燒結(jié)時(shí)間可以大為縮短，燒結(jié)溫度也明顯降低。對于制備高密度、細(xì)晶粒陶瓷，SPS是一種很有優(yōu)勢的燒結(jié)手段。

 

磁性材料

 

    用SPS燒結(jié)NdFeB磁性合金，如果在較高的溫度下燒結(jié)，可以得到高的致密度，但是燒結(jié)溫度過高會出現(xiàn)α相和晶粒長大，磁性能惡化。若在較低溫度下燒結(jié)，雖能保持較好的磁性能，但是粉末不能被完全壓實(shí)。SPS工藝具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短的工藝優(yōu)點(diǎn)。以前用快速凝固法制備的軟磁合金薄帶，雖然已經(jīng)達(dá)到幾十納米的細(xì)小晶粒組織，但是很難制備成合金塊體，應(yīng)用受到很大的限制，而現(xiàn)在采用SPS制備的塊體磁性合金的磁性能能夠達(dá)到非晶和納米晶組織帶材的軟磁性能。

 

非晶材料

 

    在非晶合金的制備中，常采用金屬模澆鑄法和水淬法來獲得較高的冷卻速率，從而得到非晶組織，之后采用在晶化溫度以下進(jìn)行溫?cái)D壓，溫軋，沖擊固化和等靜壓燒結(jié)的方法來制備大塊非晶合金，但是存在很多問題，例如長時(shí)間的加熱過程會使得非晶組織產(chǎn)生晶粒長大，從而惡化性能。SPS有望在這方面取得進(jìn)展，目前的研究認(rèn)為，SPS在燒結(jié)的過程中，加熱固化的行為發(fā)生在晶化之前，即就是在該過程中，合金的固化發(fā)生速度領(lǐng)先于晶化。

 

總結(jié)和展望

 

    放電等離子燒結(jié)（SPS）是一種低溫、短時(shí)的快速燒結(jié)法，在新材料的制備和研究中發(fā)揮著重要的作用。為了滿足未來的研發(fā)需求，SPS設(shè)備需要增加更多的功能性和脈沖電流容量等，以便滿足更大的產(chǎn)品需求和生產(chǎn)應(yīng)用，特別是全自動(dòng)化的SPS生產(chǎn)系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜形狀、高性能產(chǎn)品和三維梯度功能材料的生產(chǎn)需要，也需要研制比目前使用的石墨模具強(qiáng)度更高、重復(fù)利用率更好的新型模具材料，以提高模具的承載能力和降低成本，在工藝方面，需要建立模具溫度和工件實(shí)際溫度的關(guān)系，以便更好的控制產(chǎn)品質(zhì)量。

 

上海皓越研發(fā)生產(chǎn)的SPS設(shè)備

 

    皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售電爐為一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司一直專注于半導(dǎo)體材料、碳材料、先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料和鋰電材料四大領(lǐng)域，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)，竭誠服務(wù)于客戶，提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。