第九章放電等離子

1、等離子體燒結(jié)合成技術(shù)2SPSSPS合成技術(shù)的發(fā)展歷史合成技術(shù)的發(fā)展歷史 等離子體燒結(jié)技術(shù)原理等離子體燒結(jié)技術(shù)原理 等離子體放電燒結(jié)的工藝等離子體放電燒結(jié)的工藝 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 1 2 3 4 3在粉末顆粒間直接在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)加熱燒結(jié) 等離子活化燒結(jié)等離子活化燒結(jié)(Plasma Activated Sinteriny,PAS) 等離子體輔助等離子體輔助燒結(jié)（燒結(jié)（Plasma Assister Sinteriny,PAS） 放電等離子燒放電等離子燒結(jié)（結(jié)（SPS）技術(shù)）技術(shù) 9.1 SPS合成技術(shù)的發(fā)展歷史合成技術(shù)的發(fā)展歷史4最初實(shí)現(xiàn)放電產(chǎn)生最初實(shí)現(xiàn)放

2、電產(chǎn)生“等等離子體離子體”的人是以發(fā)現(xiàn)的人是以發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)法則而知名的電磁感應(yīng)法則而知名的法拉第法拉第(M.Farady)，他，他最早發(fā)現(xiàn)在低壓氣體中最早發(fā)現(xiàn)在低壓氣體中放電可以分別觀測(cè)到相放電可以分別觀測(cè)到相當(dāng)大的發(fā)光區(qū)域和不發(fā)當(dāng)大的發(fā)光區(qū)域和不發(fā)光的暗區(qū)。光的暗區(qū)。法拉第法拉第5I.Langmuir又進(jìn)一步對(duì)低壓氣體放電形成的發(fā)光區(qū)，即陽(yáng)又進(jìn)一步對(duì)低壓氣體放電形成的發(fā)光區(qū)，即陽(yáng)光柱深入研究，發(fā)現(xiàn)其中電子和正離子的電荷密度差不多光柱深入研究，發(fā)現(xiàn)其中電子和正離子的電荷密度差不多相等，是電中性的，電子、離子基團(tuán)作與其能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)相等，是電中性的，電子、離子基團(tuán)作與其能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)。他在其發(fā)

3、表的論文中，首次稱這種陽(yáng)光柱的狀態(tài)的振動(dòng)。他在其發(fā)表的論文中，首次稱這種陽(yáng)光柱的狀態(tài)為為“等離子體等離子體”。 等離子體特效圖等離子體特效圖61930年，美國(guó)科學(xué)家提出利用等離子體脈沖電流燒結(jié)原理，但年，美國(guó)科學(xué)家提出利用等離子體脈沖電流燒結(jié)原理，但是直到是直到1965年，脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用。年，脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用。日本獲得了日本獲得了SPS技術(shù)的專利，但當(dāng)時(shí)未能解決該技術(shù)存在的生技術(shù)的專利，但當(dāng)時(shí)未能解決該技術(shù)存在的生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，因此產(chǎn)效率低等問(wèn)題，因此SPS技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。 SPS技術(shù)的推廣應(yīng)用是從上個(gè)世紀(jì)技術(shù)的推廣應(yīng)

4、用是從上個(gè)世紀(jì)80年代末期開(kāi)始的。年代末期開(kāi)始的。1988年日本研制出第一臺(tái)工業(yè)型年日本研制出第一臺(tái)工業(yè)型SPS裝置，并在新材料研究領(lǐng)裝置，并在新材料研究領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用。域內(nèi)推廣應(yīng)用。1990年以后，日本推出了可用于工業(yè)生產(chǎn)的年以后，日本推出了可用于工業(yè)生產(chǎn)的SPS第三代產(chǎn)品，第三代產(chǎn)品，具有具有10100t的燒結(jié)壓力和的燒結(jié)壓力和50008000A脈沖電流，其優(yōu)良的燒脈沖電流，其優(yōu)良的燒結(jié)特性，大大促進(jìn)了新材料的開(kāi)發(fā)。結(jié)特性，大大促進(jìn)了新材料的開(kāi)發(fā)。1996年，日本組織了產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合的年，日本組織了產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合的SPS研討會(huì)，并每年召開(kāi)一研討會(huì)，并每年召開(kāi)一次。次。 7由于由于SPSSPS技術(shù)具

5、有快速、低溫、高效率等優(yōu)點(diǎn)，近幾年國(guó)技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點(diǎn)，近幾年國(guó)外許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼配備了外許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼配備了SPSSPS燒結(jié)系統(tǒng)，應(yīng)用燒結(jié)系統(tǒng)，應(yīng)用金屬、陶瓷、復(fù)合材料及功能材料的制備，并利用金屬、陶瓷、復(fù)合材料及功能材料的制備，并利用SPSSPS進(jìn)進(jìn)行新材料的開(kāi)發(fā)和研究。行新材料的開(kāi)發(fā)和研究。1998年瑞典購(gòu)進(jìn)年瑞典購(gòu)進(jìn)SPS燒結(jié)系統(tǒng)，對(duì)碳化物、氧化物、生物燒結(jié)系統(tǒng)，對(duì)碳化物、氧化物、生物陶瓷登材料進(jìn)行了較多的研究工作。陶瓷登材料進(jìn)行了較多的研究工作。目前全世界共有目前全世界共有SPS裝置裝置100多臺(tái)。如日本東北大學(xué)、大阪多臺(tái)。如日本東北大學(xué)、大阪大學(xué)、美

6、國(guó)加利福尼亞大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)、新加大學(xué)、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)相繼購(gòu)置了坡南洋理工大學(xué)等大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)相繼購(gòu)置了SPS系統(tǒng)。系統(tǒng)。8我國(guó)近幾年也開(kāi)展了利用我國(guó)近幾年也開(kāi)展了利用SPSSPS技術(shù)制備新材料的研究工作，引技術(shù)制備新材料的研究工作，引進(jìn)了數(shù)臺(tái)進(jìn)了數(shù)臺(tái)SPSSPS燒結(jié)系統(tǒng)，主要用于納米材料和陶瓷材料的燒結(jié)燒結(jié)系統(tǒng)，主要用于納米材料和陶瓷材料的燒結(jié)合成。合成。最早在最早在19791979年，我國(guó)鋼鐵研究總院自主研發(fā)制造了國(guó)內(nèi)第一年，我國(guó)鋼鐵研究總院自主研發(fā)制造了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電火花燒結(jié)機(jī)，用以批量生產(chǎn)金屬陶瓷模具，產(chǎn)生了良好臺(tái)電火花

7、燒結(jié)機(jī)，用以批量生產(chǎn)金屬陶瓷模具，產(chǎn)生了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。20002000年年6 6月武漢理工大學(xué)購(gòu)置了國(guó)內(nèi)首臺(tái)月武漢理工大學(xué)購(gòu)置了國(guó)內(nèi)首臺(tái)SPSSPS裝置（日本住友石裝置（日本住友石炭礦業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，炭礦業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，SPS-1050SPS-1050）。）。隨后上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和武漢大學(xué)隨后上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和武漢大學(xué)等高校及科研機(jī)構(gòu)也相繼引進(jìn)了等高校及科研機(jī)構(gòu)也相繼引進(jìn)了SPSSPS裝置，用來(lái)進(jìn)行相關(guān)的科裝置，用來(lái)進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究。學(xué)研究。SPSSPS作為一種材料制備的全新技術(shù)，已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛重作為一種材料制備的全

8、新技術(shù)，已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。視。99.2 SPS合成技術(shù)原理合成技術(shù)原理9.2.1等離子體燒結(jié)技術(shù)的概念等離子體 等離子體是宇宙中物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，是除固、液、氣三態(tài)外物質(zhì)的第四種狀態(tài)。所謂等離子體就是指電離程度較高、電離電荷相反、數(shù)量相等的氣體，通常是由電子、離子、原子或自由基等粒子組成的集合體。 10p處于等離子體狀態(tài)的各種物質(zhì)微粒具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，處于等離子體狀態(tài)的各種物質(zhì)微粒具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，在一定的條件下可獲得較完全的化學(xué)反應(yīng)。在一定的條件下可獲得較完全的化學(xué)反應(yīng)。p之所以把等離子體視為物質(zhì)的又一種基本存在形態(tài)，是之所以把等離子體視為物質(zhì)的又一種基本存在形態(tài)，是因?yàn)樗c固

9、、液、氣三態(tài)相比無(wú)論在組成上還是在性質(zhì)因?yàn)樗c固、液、氣三態(tài)相比無(wú)論在組成上還是在性質(zhì)上均有本質(zhì)區(qū)別。即使與氣體之間也有著明顯的差異。上均有本質(zhì)區(qū)別。即使與氣體之間也有著明顯的差異。 n 首先首先，氣體通常是不導(dǎo)電的，等離子體則是一種導(dǎo)電流體而又，氣體通常是不導(dǎo)電的，等離子體則是一種導(dǎo)電流體而又在整體上保持電中性。在整體上保持電中性。n 其二其二，組成粒子間的作用力不同，氣體分子間不存在靜電磁力，組成粒子間的作用力不同，氣體分子間不存在靜電磁力，而等離子體中的帶電粒子之間存在庫(kù)侖力，并由此導(dǎo)致帶電粒而等離子體中的帶電粒子之間存在庫(kù)侖力，并由此導(dǎo)致帶電粒子群的種種特有的集體運(yùn)動(dòng)。子群的種種特有的

10、集體運(yùn)動(dòng)。n 第三第三，作為一個(gè)帶電粒子系，等離子體的運(yùn)動(dòng)行為明顯地會(huì)收，作為一個(gè)帶電粒子系，等離子體的運(yùn)動(dòng)行為明顯地會(huì)收到電磁場(chǎng)影響和約束。到電磁場(chǎng)影響和約束。 11需要說(shuō)明的是，并非任何電離氣體都是等離子體。只要當(dāng)需要說(shuō)明的是，并非任何電離氣體都是等離子體。只要當(dāng)電離度大到一定程度，使帶電粒子密度達(dá)到所產(chǎn)生的空間電離度大到一定程度，使帶電粒子密度達(dá)到所產(chǎn)生的空間電荷足以限制其自身運(yùn)動(dòng)時(shí)，體系的性質(zhì)才會(huì)從量變到質(zhì)電荷足以限制其自身運(yùn)動(dòng)時(shí)，體系的性質(zhì)才會(huì)從量變到質(zhì)變，這樣的變，這樣的“電離氣體電離氣體”才算轉(zhuǎn)變成等離子體。才算轉(zhuǎn)變成等離子體。否則，體系中雖有少數(shù)粒子電離，仍不過(guò)是互不相關(guān)的各否

11、則，體系中雖有少數(shù)粒子電離，仍不過(guò)是互不相關(guān)的各部分的簡(jiǎn)單加和，而不具備作為物質(zhì)的第四態(tài)的典型性和部分的簡(jiǎn)單加和，而不具備作為物質(zhì)的第四態(tài)的典型性和特征，仍屬于氣態(tài)。特征，仍屬于氣態(tài)。 12等離子體一般分兩類等離子體一般分兩類第一類第一類是高溫等離子體或稱熱等離子體（亦稱高壓平衡等離子體）是高溫等離子體或稱熱等離子體（亦稱高壓平衡等離子體）第二類第二類是低溫等離子體（亦稱冷等離子體）是低溫等離子體（亦稱冷等離子體） 此類等離子體中，粒子的此類等離子體中，粒子的激發(fā)或是電離主要是通過(guò)激發(fā)或是電離主要是通過(guò)碰撞實(shí)現(xiàn)，當(dāng)壓力大于碰撞實(shí)現(xiàn)，當(dāng)壓力大于1.33104Pa時(shí)，由于氣體時(shí)，由于氣體密度較大，

12、電子撞擊氣體密度較大，電子撞擊氣體分子，電子的能量被氣體分子，電子的能量被氣體吸收，電子溫度和氣體溫吸收，電子溫度和氣體溫度幾乎相等，即處于熱力度幾乎相等，即處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。學(xué)平衡狀態(tài)。 在低壓下產(chǎn)生，壓力小于在低壓下產(chǎn)生，壓力小于1.33104Pa時(shí)，氣體被撞擊的幾率減少，氣體吸時(shí)，氣體被撞擊的幾率減少，氣體吸收電子的能量減少，造成電子溫度和收電子的能量減少，造成電子溫度和氣體溫度分 離 ，電子溫度比較高氣體溫度分 離 ，電子溫度比較高（104K）而氣體的溫度相對(duì)比較低）而氣體的溫度相對(duì)比較低（102103K），即電子與氣體處于非），即電子與氣體處于非平衡狀態(tài)。氣體壓力越小，電子和氣平衡

13、狀態(tài)。氣體壓力越小，電子和氣體的溫差就越大。體的溫差就越大。13等離子體等離子體放射線放射線放射線同位素放射線同位素X X射線射線粒子加速器粒子加速器反應(yīng)堆反應(yīng)堆場(chǎng)致電離場(chǎng)致電離沖擊波沖擊波燃燒燃燒放電放電直流放電直流放電低頻放電低頻放電高頻放電高頻放電微波放電微波放電感應(yīng)放電感應(yīng)放電真空紫外光真空紫外光激光激光宇宙天體宇宙天體上層大氣上層大氣輝光下游的利用輝光下游的利用圖圖9.1 9.1 等離子體的主要產(chǎn)生途徑等離子體的主要產(chǎn)生途徑14等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS) 該技術(shù)是通過(guò)將特殊電源控制裝置發(fā)生的該技術(shù)是通過(guò)將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-ON-OFFOFF直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能

14、利用通直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用（放電沖擊壓常放電加工所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用（放電沖擊壓力和焦耳加熱）外，還有效利用脈沖放電初期粉力和焦耳加熱）外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象（瞬間產(chǎn)生高溫等離子體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象（瞬間產(chǎn)生高溫等離子體）所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用通過(guò)瞬時(shí)高溫場(chǎng)實(shí)現(xiàn)體）所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用通過(guò)瞬時(shí)高溫場(chǎng)實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。15放電等離子燒結(jié)優(yōu)點(diǎn) 放電等離子燒結(jié)由于強(qiáng)脈沖電流加在粉放電等離子燒結(jié)由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間，因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的末顆粒間，因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效

15、應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：u 燒結(jié)速度快；燒結(jié)速度快；u 改進(jìn)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和提高材料的性能改進(jìn)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和提高材料的性能 16 放電等離子燒結(jié)融放電等離子燒結(jié)融等離子活化等離子活化、熱壓熱壓、電阻電阻加熱加熱為一體，為一體，升溫速度快升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)燒結(jié)溫度低溫度低、晶粒均勻晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的、有利于控制燒結(jié)體的細(xì)微細(xì)微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、獲得材料的、獲得材料的致密度高致密度高，并且有著，并且有著操作簡(jiǎn)操作簡(jiǎn)單單、再現(xiàn)性高再現(xiàn)性高、安全可靠安全可靠、節(jié)省空間節(jié)省空間、節(jié)省能節(jié)省能源源及及成本低成本低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。179.2.

16、2等離子體燒結(jié)技術(shù)的原理 SPS SPS燒結(jié)機(jī)理目前還沒(méi)有達(dá)成較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其燒結(jié)燒結(jié)機(jī)理目前還沒(méi)有達(dá)成較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其燒結(jié)的中間過(guò)程還有待于進(jìn)一步研究。的中間過(guò)程還有待于進(jìn)一步研究。SPSSPS的制造商的制造商SumitomoSumitomo公司的公司的M.TokitaM.Tokita最早提出放電等離子燒結(jié)的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：最早提出放電等離子燒結(jié)的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：粉末顆粒微區(qū)還存在電場(chǎng)誘導(dǎo)的正負(fù)極，在脈沖電流作用粉末顆粒微區(qū)還存在電場(chǎng)誘導(dǎo)的正負(fù)極，在脈沖電流作用下顆粒間發(fā)生放電，激發(fā)等離子體，由放電產(chǎn)生的高能粒下顆粒間發(fā)生放電，激發(fā)等離子體，由放電產(chǎn)生的高能粒子撞擊顆粒間的接觸部分，使物質(zhì)產(chǎn)

17、生蒸發(fā)作用而起到凈子撞擊顆粒間的接觸部分，使物質(zhì)產(chǎn)生蒸發(fā)作用而起到凈化和活化作用，電能貯存在顆粒團(tuán)的介電層中，介電層發(fā)化和活化作用，電能貯存在顆粒團(tuán)的介電層中，介電層發(fā)生間歇式快速放電。生間歇式快速放電。 18圖圖9.2 放放電電等等離離子子體體形形成成的的機(jī)機(jī)理理示示意意圖圖19目前一般認(rèn)為目前一般認(rèn)為：SPSSPS過(guò)程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱過(guò)程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程外，還在粉和加壓造成的塑性變形促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程外，還在粉末顆粒間產(chǎn)生直流脈沖電壓，并有效利用了粉體末顆粒間產(chǎn)生直流脈沖電壓，并有效利用了粉體顆粒間放電產(chǎn)生的自發(fā)熱作用，因而產(chǎn)生了一些顆粒間放電產(chǎn)生的自

18、發(fā)熱作用，因而產(chǎn)生了一些SPSSPS過(guò)程特有的現(xiàn)象過(guò)程特有的現(xiàn)象 。20關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)現(xiàn)象現(xiàn)象產(chǎn)生放電等離子產(chǎn)生放電等離子蒸發(fā)、熔化、純化蒸發(fā)、熔化、純化產(chǎn)生放電沖擊壓力產(chǎn)生放電沖擊壓力局部應(yīng)力和噴發(fā)局部應(yīng)力和噴發(fā)產(chǎn)生焦耳熱產(chǎn)生焦耳熱局部高溫局部高溫電場(chǎng)作用電場(chǎng)作用高速等離子遷移高速等離子遷移脈沖電流和電壓脈沖電流和電壓熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散熱由高溫點(diǎn)轉(zhuǎn)移熱由高溫點(diǎn)轉(zhuǎn)移效果效果技術(shù)優(yōu)勢(shì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)表面活化表面活化低溫、短時(shí)燒結(jié)低溫、短時(shí)燒結(jié)高速擴(kuò)散高速擴(kuò)散高速材料轉(zhuǎn)移高速材料轉(zhuǎn)移有效加熱有效加熱塑性變形提高塑性變形提高燒結(jié)難燒結(jié)材料燒結(jié)難燒結(jié)材料（不需催化劑）（不需催化劑）連接不相溶材料連接不相溶材料高密度能量供

19、應(yīng)高密度能量供應(yīng)放電點(diǎn)彌散運(yùn)動(dòng)放電點(diǎn)彌散運(yùn)動(dòng)晶內(nèi)快速冷卻晶內(nèi)快速冷卻晶內(nèi)快速冷卻晶內(nèi)快速冷卻短時(shí)燒結(jié)短時(shí)燒結(jié)短時(shí)均勻燒結(jié)短時(shí)均勻燒結(jié)燒結(jié)非晶材料燒結(jié)非晶材料燒結(jié)納米材料燒結(jié)納米材料低溫、短時(shí)燒結(jié)低溫、短時(shí)燒結(jié)圖圖9.3 9.3 SPSSPS中中施施加加直直流流開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)脈脈沖沖電電流流的的作作用用 21第一第一，由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場(chǎng)，由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場(chǎng)中反方向的高速流動(dòng)，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的中反方向的高速流動(dòng)，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被擊穿，使粉末得以凈化、活化；起始氧化膜在一定程度上被擊穿，

20、使粉末得以凈化、活化；第二第二，由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生，在粉末顆粒未接，由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生，在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱，觸部位產(chǎn)生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱，都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散，其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散，其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多，從而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化件下的要大得多，從而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化; ;第三第三，ON- OFFON- OFF快速脈沖的加入，使粉末內(nèi)的放電部位及焦耳快速脈沖的加入，使粉末內(nèi)的放電部位及焦耳發(fā)熱部件，都會(huì)快速移動(dòng)，使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。使

21、脈沖發(fā)熱部件，都會(huì)快速移動(dòng)，使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。使脈沖集中在晶粒結(jié)合處是集中在晶粒結(jié)合處是SPSSPS過(guò)程的一個(gè)特點(diǎn)。過(guò)程的一個(gè)特點(diǎn)。22 SPS SPS過(guò)程中，顆粒之間放電時(shí)，會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千過(guò)程中，顆粒之間放電時(shí)，會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千度至度至1 1萬(wàn)度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在萬(wàn)度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在顆粒接觸點(diǎn)形成頸部，由于熱量立即從發(fā)熱中心傳遞到顆顆粒接觸點(diǎn)形成頸部，由于熱量立即從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴(kuò)散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他粒表面和向四周擴(kuò)散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位。部位。 氣相物質(zhì)凝聚在頸部形成高于普通燒結(jié)方法的蒸

22、發(fā)氣相物質(zhì)凝聚在頸部形成高于普通燒結(jié)方法的蒸發(fā)- -凝固傳遞凝固傳遞是是SPSSPS過(guò)程的另一個(gè)重要特點(diǎn)。過(guò)程的另一個(gè)重要特點(diǎn)。 23 放電等離子燒結(jié)的中間過(guò)程和現(xiàn)象十分復(fù)雜，許多科放電等離子燒結(jié)的中間過(guò)程和現(xiàn)象十分復(fù)雜，許多科學(xué)家們對(duì)學(xué)家們對(duì)SPS的燒結(jié)過(guò)程建立了模型。的燒結(jié)過(guò)程建立了模型。U.Anselmi-Tamburini等對(duì)等對(duì)SPS過(guò)程中的電流和溫度的分布進(jìn)行了模過(guò)程中的電流和溫度的分布進(jìn)行了模擬，認(rèn)為溫度的分布和電流的分布緊密相關(guān)。擬，認(rèn)為溫度的分布和電流的分布緊密相關(guān)。 （a）溫度分布 （b）熱流分布圖9.4 非導(dǎo)電材料(Al2O3)SPS燒結(jié)時(shí)計(jì)算的溫度分布和熱流分布 24圖

23、圖9.5 9.5 非導(dǎo)電（非導(dǎo)電（AlAl2 2O O3 3）和導(dǎo)電（）和導(dǎo)電（CuCu）材料計(jì)算的徑向溫度分布材料計(jì)算的徑向溫度分布 可以看出，非導(dǎo)電粉可以看出，非導(dǎo)電粉體在徑向方向上存在大體在徑向方向上存在大的溫度梯度，這必將導(dǎo)的溫度梯度，這必將導(dǎo)致燒結(jié)體形成不均勻的致燒結(jié)體形成不均勻的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)。電流的分布和輻射熱損電流的分布和輻射熱損失是導(dǎo)致試樣和模具外失是導(dǎo)致試樣和模具外表面存在溫度梯度的主表面存在溫度梯度的主要原因。要原因。 259.2.3等離子體燒結(jié)技術(shù)的適用范圍 由于其獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)理，由于其獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)理，SPSSPS技術(shù)具有升溫速技術(shù)具有升溫速度快

24、、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保等度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，特點(diǎn)，SPSSPS已廣泛應(yīng)用于已廣泛應(yīng)用于納米材料納米材料、梯度功能材梯度功能材料料、金屬材料金屬材料、磁性材料磁性材料、復(fù)合材料復(fù)合材料、陶瓷等陶瓷等材料材料的制備。的制備。26納米材料納米材料 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。利用難保證晶粒的納米尺寸，又達(dá)到完全致密的要求。利用SPSSPS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用粗化。利用SPSS

25、PS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。顯抑制晶粒粗化。 利用利用SPSSPS能快速降溫這一特點(diǎn)來(lái)控制燒結(jié)過(guò)程的反應(yīng)歷能快速降溫這一特點(diǎn)來(lái)控制燒結(jié)過(guò)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(shuō)，這一點(diǎn)有利于合成介穩(wěn)材料，特別有利于制備意義上說(shuō)，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。納米材料。 27梯度功能材料梯度功能材料 梯度功能材料梯度功能材料(FGM)(F

26、GM)是一種組成在某個(gè)方向上梯度分布是一種組成在某個(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。利用以一次燒成。利用CVD ,PVDCVD ,PVD等方法制備梯度材料，成本很高，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(guò)也很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。通過(guò)SPSSPS技術(shù)可以很好地克服這一技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。難點(diǎn)。 SPS SPS可以制造陶瓷可以制造陶瓷/ /金屬、聚合物金屬、聚合物/ /金屬以及其他耐熱梯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。度、耐磨梯度、硬度梯度

27、、導(dǎo)電梯度、孔隙度梯度等材料。梯度層可到梯度層可到1010多層，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。多層，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。 28電磁材料電磁材料 采用采用SPSSPS技術(shù)還可以制作技術(shù)還可以制作SiGeSiGe，PbTePbTe，BiTeBiTe，F(xiàn)eSiFeSi，CoSbCoSb3 3等體系的熱電轉(zhuǎn)化元件，以及廣泛用于電子領(lǐng)域的等體系的熱電轉(zhuǎn)化元件，以及廣泛用于電子領(lǐng)域的各種功能材料，如超導(dǎo)材料、磁性材料、靶材、介電材料、各種功能材料，如超導(dǎo)材料、磁性材料、靶材、介電材料、貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池材料、光學(xué)材料等。貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池材料、光學(xué)材料等。 29金屬間化合物金屬間

28、化合物 金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點(diǎn)，因此制備或生金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點(diǎn)，因此制備或生產(chǎn)需要特殊的過(guò)程。利用熔化法（電火花熔化、電阻熔化、產(chǎn)需要特殊的過(guò)程。利用熔化法（電火花熔化、電阻熔化、感應(yīng)熔化等）制備金屬間化合物往往需要高能量、真空系感應(yīng)熔化等）制備金屬間化合物往往需要高能量、真空系統(tǒng)，而且需要進(jìn)行對(duì)其二次加工（鍛造）。利用統(tǒng)，而且需要進(jìn)行對(duì)其二次加工（鍛造）。利用SPSSPS技術(shù)技術(shù)準(zhǔn)備金屬間化合物，因?yàn)橛行Ю昧祟w粒間的自發(fā)熱作用準(zhǔn)備金屬間化合物，因?yàn)橛行Ю昧祟w粒間的自發(fā)熱作用和表面活化作用，可實(shí)現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)，所以和表面活化作用，可實(shí)現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)，所以SPSS

29、PS技術(shù)技術(shù)為制備金屬間化合物的一種有效方法。目前，利用為制備金屬間化合物的一種有效方法。目前，利用SPSSPS技技術(shù)已制備的金屬間化合物體系有：術(shù)已制備的金屬間化合物體系有：Ti-AlTi-Al體系、體系、Mo-SiMo-Si體系、體系、Ni-AlNi-Al體系等。體系等。30高致密度、細(xì)晶粒陶瓷和金屬陶瓷高致密度、細(xì)晶粒陶瓷和金屬陶瓷 在在SPSSPS過(guò)程中，樣品中每一個(gè)粉末顆粒及其相互間的過(guò)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(guò)程在熱過(guò)程在SPSSPS過(guò)程中可以忽略不計(jì)。因此燒結(jié)時(shí)間可

30、以大過(guò)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(duì)于制備高密度、細(xì)晶粒為縮短，燒結(jié)溫度也明顯降低。對(duì)于制備高密度、細(xì)晶粒陶瓷，陶瓷，SPSSPS是一種很有優(yōu)勢(shì)的燒結(jié)手段。是一種很有優(yōu)勢(shì)的燒結(jié)手段。 31其他材料其他材料 此外，此外，SPSSPS技術(shù)也已成功地應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料技術(shù)也已成功地應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料（MMCMMC）、非晶合金、生物材料、超導(dǎo)材料和多孔材料等）、非晶合金、生物材料、超導(dǎo)材料和多孔材料等各種新材料的制備，并獲得了較為優(yōu)異的性能。同時(shí)，各種新材料的制備，并獲得了較為優(yōu)異的性能。同時(shí)，SPSSPS在硬質(zhì)合金的燒結(jié)，多層金屬粉末的同步連接在硬質(zhì)合金的燒結(jié)

31、，多層金屬粉末的同步連接（bondingbonding）、陶瓷粉末和金屬粉末的連接以及固體）、陶瓷粉末和金屬粉末的連接以及固體- -粉末粉末- -固體的連接方面也已有了廣泛的應(yīng)用。固體的連接方面也已有了廣泛的應(yīng)用。329.3 等離子體放電燒結(jié)的工藝等離子體放電燒結(jié)的工藝9.3.1等離子體燒結(jié)技術(shù)的工藝設(shè)備 SPS SPS系統(tǒng)包括一個(gè)垂直單向加壓裝置和加壓自動(dòng)顯系統(tǒng)包括一個(gè)垂直單向加壓裝置和加壓自動(dòng)顯示系統(tǒng)以及一個(gè)電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)，一個(gè)特制的帶水冷示系統(tǒng)以及一個(gè)電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)，一個(gè)特制的帶水冷卻的通電裝置和支流脈沖燒結(jié)電源，一個(gè)水冷真空室和卻的通電裝置和支流脈沖燒結(jié)電源，一個(gè)水冷真空室和真空真

32、空/ /空氣空氣/ /氫氣氫氣/ /氧氣氧氣/ /氫氣氣氛控制系統(tǒng)，各種內(nèi)鎖安氫氣氣氛控制系統(tǒng)，各種內(nèi)鎖安全裝置和所有這些裝置的中央控制操作面板。全裝置和所有這些裝置的中央控制操作面板。 33一般等離子體燒結(jié)設(shè)備主要由三部分組成一般等離子體燒結(jié)設(shè)備主要由三部分組成產(chǎn)生單軸向壓產(chǎn)生單軸向壓力的力的裝置和燒裝置和燒結(jié)模結(jié)模，壓力裝，壓力裝置可根據(jù)燒結(jié)置可根據(jù)燒結(jié)材料的不同施材料的不同施加不同的壓力；加不同的壓力；脈沖電流發(fā)生脈沖電流發(fā)生器器，用來(lái)產(chǎn)生，用來(lái)產(chǎn)生等離子體對(duì)材等離子體對(duì)材料進(jìn)行活化處料進(jìn)行活化處理理電阻加熱設(shè)備電阻加熱設(shè)備34123456脈沖電流發(fā)生器水冷真空室SPS加壓裝置SPS控制

33、裝置位移測(cè)量系統(tǒng)氣氛控制系統(tǒng)水冷系統(tǒng)溫度測(cè)量系統(tǒng)圖9.7 放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)示意圖1.上電極 2.下電極 3.粉末4.下壓頭 5.下電極 6.模具 35 SPS SPS利用直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓利用直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖直流電的大小控制升溫?zé)Y(jié)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖直流電的大小控制升溫速率和燒結(jié)溫度。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程可在真空環(huán)境下速率和燒結(jié)溫度。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程可在真空環(huán)境下進(jìn)行，也可在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)過(guò)程中，脈進(jìn)行，也可在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)過(guò)程中，脈沖電流直接通過(guò)上下壓頭和燒結(jié)粉體或石墨模具，沖電流直接通過(guò)上下壓頭和燒結(jié)粉體或石墨模具，因此加熱系統(tǒng)的熱容很小，

34、升溫和傳熱速度快，因此加熱系統(tǒng)的熱容很小，升溫和傳熱速度快，從而使快速升溫?zé)Y(jié)成為可能。從而使快速升溫?zé)Y(jié)成為可能。 369.3.2等離子體燒結(jié)技術(shù)的工藝流程選擇適當(dāng)模具選擇適當(dāng)模具計(jì)算所需粉體質(zhì)量計(jì)算所需粉體質(zhì)量填充模具填充模具施加壓力施加壓力放入等離子體燒結(jié)放入等離子體燒結(jié)靜壓成型靜壓成型電腦調(diào)節(jié)電腦調(diào)節(jié)燒結(jié)參數(shù)燒結(jié)參數(shù)等離子體等離子體快速燒結(jié)快速燒結(jié)試樣成品試樣成品性能檢測(cè)與研究性能檢測(cè)與研究37 在進(jìn)行具體的試驗(yàn)操作時(shí)，將試樣裝入石墨模具中，在進(jìn)行具體的試驗(yàn)操作時(shí)，將試樣裝入石墨模具中，模具置于上下電極之間，通過(guò)油壓系統(tǒng)加壓，然后對(duì)腔體模具置于上下電極之間，通過(guò)油壓系統(tǒng)加壓，然后對(duì)腔體

35、抽真空，達(dá)到要求的真空度后通入脈沖電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。脈抽真空，達(dá)到要求的真空度后通入脈沖電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。脈沖大電流直接施加于導(dǎo)電模具和樣品上，通過(guò)樣品及間隙沖大電流直接施加于導(dǎo)電模具和樣品上，通過(guò)樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面，在孔隙間局部放電，產(chǎn)生等離的部分電流激活晶粒表面，在孔隙間局部放電，產(chǎn)生等離子體，粉末顆粒表面被活化、發(fā)熱，同時(shí)，通過(guò)模具的部子體，粉末顆粒表面被活化、發(fā)熱，同時(shí)，通過(guò)模具的部分電流加熱模具，使模具開(kāi)始對(duì)試樣傳熱，試樣溫度升高，分電流加熱模具，使模具開(kāi)始對(duì)試樣傳熱，試樣溫度升高，開(kāi)始收縮，產(chǎn)生一定的密度，并隨著溫度的升高而增大，開(kāi)始收縮，產(chǎn)生一定的密度，并隨著溫度的升高而增

36、大，直至達(dá)到燒結(jié)溫度后收縮結(jié)束，致密度達(dá)到最大。直至達(dá)到燒結(jié)溫度后收縮結(jié)束，致密度達(dá)到最大。389.3.3等離子體燒結(jié)工藝參數(shù)的控制燒結(jié)氣氛燒結(jié)氣氛 燒結(jié)氣氛對(duì)樣品燒結(jié)的影響很大（真空燒結(jié)情況燒結(jié)氣氛對(duì)樣品燒結(jié)的影響很大（真空燒結(jié)情況除外），合適的氣氛將有助于樣品的致密化。除外），合適的氣氛將有助于樣品的致密化。 39 在在氧氣氧氣氣氛下，由于氧被燒結(jié)物表面吸附或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)氣氛下，由于氧被燒結(jié)物表面吸附或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用，使晶體表面形成正離子缺位型的非化學(xué)計(jì)量化合物，正作用，使晶體表面形成正離子缺位型的非化學(xué)計(jì)量化合物，正離子空位增加，同時(shí)使閉口氣孔中的氧可直接進(jìn)入晶格，并和離子空位增加，同

37、時(shí)使閉口氣孔中的氧可直接進(jìn)入晶格，并和氧離子空位一樣沿表面進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散和燒結(jié)加速。當(dāng)燒結(jié)由氧離子空位一樣沿表面進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散和燒結(jié)加速。當(dāng)燒結(jié)由正離子擴(kuò)散控制時(shí)，氧化氣氛或氧分壓較高并有利于正離子空正離子擴(kuò)散控制時(shí)，氧化氣氛或氧分壓較高并有利于正離子空位形成，促進(jìn)燒結(jié)；由負(fù)離子擴(kuò)散控制時(shí)，還原氣氛或較低的位形成，促進(jìn)燒結(jié)；由負(fù)離子擴(kuò)散控制時(shí)，還原氣氛或較低的氧分壓將導(dǎo)致氧離子空位產(chǎn)生并促進(jìn)燒結(jié)。氧分壓將導(dǎo)致氧離子空位產(chǎn)生并促進(jìn)燒結(jié)。 在在氫氣氫氣氣氛下燒結(jié)樣品時(shí)，由于氫原子半徑很小，易于擴(kuò)氣氛下燒結(jié)樣品時(shí)，由于氫原子半徑很小，易于擴(kuò)散并有利于閉口氣孔的消除，氧化鋁等類型的材料于氫氣氣氛散并有

38、利于閉口氣孔的消除，氧化鋁等類型的材料于氫氣氣氛下燒結(jié)可得到接近于理論密度的燒結(jié)體樣品。下燒結(jié)可得到接近于理論密度的燒結(jié)體樣品。40燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 燒結(jié)溫度是等離子快速燒結(jié)過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)之一。燒結(jié)溫度是等離子快速燒結(jié)過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)之一。燒結(jié)溫度的確定要考慮燒結(jié)體樣品在高溫下的相轉(zhuǎn)變、晶粒燒結(jié)溫度的確定要考慮燒結(jié)體樣品在高溫下的相轉(zhuǎn)變、晶粒的生長(zhǎng)速率、樣品的質(zhì)量要求以及樣品的密度要求。一般情的生長(zhǎng)速率、樣品的質(zhì)量要求以及樣品的密度要求。一般情況下，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣致密度整體呈上升趨勢(shì)，況下，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣致密度整體呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明燒結(jié)溫度對(duì)樣品致密度程度有明顯的

39、影響，燒結(jié)溫度這說(shuō)明燒結(jié)溫度對(duì)樣品致密度程度有明顯的影響，燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)過(guò)程中物質(zhì)傳輸速度越快，樣品越容易密實(shí)。越高，燒結(jié)過(guò)程中物質(zhì)傳輸速度越快，樣品越容易密實(shí)。 但是，溫度越高，晶粒的生長(zhǎng)速率就越快，其力學(xué)性能就越差。而但是，溫度越高，晶粒的生長(zhǎng)速率就越快，其力學(xué)性能就越差。而溫度太低，樣品的致密度就很低，質(zhì)量達(dá)不到要求。溫度與晶粒大小溫度太低，樣品的致密度就很低，質(zhì)量達(dá)不到要求。溫度與晶粒大小之間的矛盾在溫度的選擇上要求一個(gè)合適的參數(shù)。之間的矛盾在溫度的選擇上要求一個(gè)合適的參數(shù)。 41 等離子燒結(jié)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量燒結(jié)溫度是一個(gè)比較困難的問(wèn)等離子燒結(jié)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量燒結(jié)溫度是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。因?yàn)?/p>

40、：題。因?yàn)椋簎產(chǎn)生等離子體的微波或高頻波嚴(yán)重干擾雙金屬熱電偶，從產(chǎn)生等離子體的微波或高頻波嚴(yán)重干擾雙金屬熱電偶，從而無(wú)法用熱電偶測(cè)量溫度。而無(wú)法用熱電偶測(cè)量溫度。u由于等離子體發(fā)光和石英管遮擋的干擾，用光學(xué)高溫測(cè)量由于等離子體發(fā)光和石英管遮擋的干擾，用光學(xué)高溫測(cè)量計(jì)將引入較大的誤差。計(jì)將引入較大的誤差。u對(duì)于非常高溫的燒結(jié)體用紅外線測(cè)溫儀，由于模具頭兩端對(duì)于非常高溫的燒結(jié)體用紅外線測(cè)溫儀，由于模具頭兩端受力不均勻，使得測(cè)量結(jié)果偏離準(zhǔn)確值，因而引起實(shí)驗(yàn)誤受力不均勻，使得測(cè)量結(jié)果偏離準(zhǔn)確值，因而引起實(shí)驗(yàn)誤差。差。42保溫時(shí)間保溫時(shí)間 延長(zhǎng)燒結(jié)溫度下的保溫時(shí)間，一般都會(huì)不同程度地促延長(zhǎng)燒結(jié)溫度下的保

41、溫時(shí)間，一般都會(huì)不同程度地促進(jìn)燒結(jié)完成，完善樣品的顯微結(jié)構(gòu)，這對(duì)粘性流動(dòng)機(jī)理的進(jìn)燒結(jié)完成，完善樣品的顯微結(jié)構(gòu)，這對(duì)粘性流動(dòng)機(jī)理的燒結(jié)較為明顯，而對(duì)體積擴(kuò)散和表面擴(kuò)散機(jī)理的燒結(jié)影響燒結(jié)較為明顯，而對(duì)體積擴(kuò)散和表面擴(kuò)散機(jī)理的燒結(jié)影響較小。在燒結(jié)過(guò)程中，一般保溫僅較小。在燒結(jié)過(guò)程中，一般保溫僅1 1分鐘時(shí)，樣品的密度分鐘時(shí)，樣品的密度就達(dá)到理論密度的就達(dá)到理論密度的96.5%96.5%以上，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣以上，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的致密度增大，但是變化范圍不是很大，說(shuō)明保溫時(shí)間品的致密度增大，但是變化范圍不是很大，說(shuō)明保溫時(shí)間對(duì)樣品的致密度雖然有一定的影響，但是作用效果不是很對(duì)樣品的致密

42、度雖然有一定的影響，但是作用效果不是很明顯。但不合理地延長(zhǎng)燒結(jié)溫度下的保溫時(shí)間，晶粒在此明顯。但不合理地延長(zhǎng)燒結(jié)溫度下的保溫時(shí)間，晶粒在此時(shí)間內(nèi)急劇長(zhǎng)大，加劇二次重結(jié)晶作用，不利于樣品的性時(shí)間內(nèi)急劇長(zhǎng)大，加劇二次重結(jié)晶作用，不利于樣品的性能要求，而時(shí)間太短會(huì)引起樣品的致密化下降，因此需要能要求，而時(shí)間太短會(huì)引起樣品的致密化下降，因此需要選擇合適的保溫時(shí)間。選擇合適的保溫時(shí)間。43升溫速率升溫速率 時(shí)間升溫速率的加快，使得樣品在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到時(shí)間升溫速率的加快，使得樣品在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的溫度，晶粒的生長(zhǎng)時(shí)間會(huì)大大減少，這不僅有利所要求的溫度，晶粒的生長(zhǎng)時(shí)間會(huì)大大減少，這不僅有利于抑制晶

43、粒的長(zhǎng)大，得到大小均勻的細(xì)晶粒陶瓷，還能節(jié)于抑制晶粒的長(zhǎng)大，得到大小均勻的細(xì)晶粒陶瓷，還能節(jié)約時(shí)間、節(jié)約能源以及提高燒結(jié)設(shè)備的利用率。但是，由約時(shí)間、節(jié)約能源以及提高燒結(jié)設(shè)備的利用率。但是，由于設(shè)備本身的限制，升溫速率過(guò)快對(duì)設(shè)備會(huì)造成破壞性影于設(shè)備本身的限制，升溫速率過(guò)快對(duì)設(shè)備會(huì)造成破壞性影響。因此在可允許的范圍內(nèi)盡可能的的加快升溫速率。但響。因此在可允許的范圍內(nèi)盡可能的的加快升溫速率。但是，在實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中反映到。與燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間是，在實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中反映到。與燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間不同，升溫速率對(duì)樣品致密度的影響顯示出相反的結(jié)果，不同，升溫速率對(duì)樣品致密度的影響顯示出相反的結(jié)果，即隨著升

44、溫速率的增大，樣品致密度表現(xiàn)粗化逐漸下降的即隨著升溫速率的增大，樣品致密度表現(xiàn)粗化逐漸下降的趨勢(shì)，有學(xué)者提出這是因?yàn)樵跓Y(jié)溫度附近升溫速率的提趨勢(shì)，有學(xué)者提出這是因?yàn)樵跓Y(jié)溫度附近升溫速率的提高相當(dāng)于縮短了保溫時(shí)間，因而樣品致密度會(huì)有所下降。高相當(dāng)于縮短了保溫時(shí)間，因而樣品致密度會(huì)有所下降。44n 在實(shí)際的高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，升溫過(guò)程一般分為三個(gè)階在實(shí)際的高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，升溫過(guò)程一般分為三個(gè)階段，分別為從室溫至段，分別為從室溫至600左右、左右、600至至900左右、左右、900至燒結(jié)溫度：至燒結(jié)溫度：n 第一階段是準(zhǔn)備階段，升溫速率相對(duì)比較緩慢；第一階段是準(zhǔn)備階段，升溫速率相對(duì)比較緩慢；n 第二

45、階段是可控的快速升溫階段，升溫速率一般控制在第二階段是可控的快速升溫階段，升溫速率一般控制在100500(min-1)；n 第三階段是升溫的緩沖階段，該階段溫度緩慢升至燒結(jié)溫第三階段是升溫的緩沖階段，該階段溫度緩慢升至燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間一般是度，保溫時(shí)間一般是17分鐘，保溫后隨爐冷卻，冷卻速分鐘，保溫后隨爐冷卻，冷卻速率可達(dá)率可達(dá)300min-1。45壓力壓力 壓力對(duì)燒結(jié)的影響主要表現(xiàn)為素坯成型壓力和燒結(jié)時(shí)的壓力對(duì)燒結(jié)的影響主要表現(xiàn)為素坯成型壓力和燒結(jié)時(shí)的外壓力。從燒結(jié)和固相反應(yīng)機(jī)理容易理解，壓力越大，樣外壓力。從燒結(jié)和固相反應(yīng)機(jī)理容易理解，壓力越大，樣品中顆粒堆積就越緊密，相互的接觸點(diǎn)和接觸

46、面積增大燒品中顆粒堆積就越緊密，相互的接觸點(diǎn)和接觸面積增大燒結(jié)被加速。這樣能使樣品得到更好的致密度，并能有效的結(jié)被加速。這樣能使樣品得到更好的致密度，并能有效的抑制晶粒長(zhǎng)大和降低燒結(jié)溫度。因此選擇的壓力一般為抑制晶粒長(zhǎng)大和降低燒結(jié)溫度。因此選擇的壓力一般為3050Mpa（實(shí)驗(yàn)允許的最大值）。不過(guò)有研究表明，當(dāng)（實(shí)驗(yàn)允許的最大值）。不過(guò)有研究表明，當(dāng)燒結(jié)時(shí)外壓力為燒結(jié)時(shí)外壓力為30Mpa和和50Mpa時(shí)，樣品的致密度相差并時(shí)，樣品的致密度相差并不大，這說(shuō)明致密度隨壓力增大的現(xiàn)象僅在一定范圍內(nèi)較不大，這說(shuō)明致密度隨壓力增大的現(xiàn)象僅在一定范圍內(nèi)較為明顯。為明顯。 46n以上說(shuō)明以上說(shuō)明，燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、升溫速率構(gòu)，燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、升溫速率構(gòu)成了影響燒結(jié)體微觀組織的主要因素。其中燒成了影響燒結(jié)體微觀組織的主要因素。其中燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)體微觀組織影響最為結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)體微觀組織影響最為顯著，升溫速率次之，燒結(jié)過(guò)程中壓力對(duì)樣品顯著，升溫速率次之，燒結(jié)過(guò)程中壓力對(duì)樣品