放電等離子體燒結(jié)技術(shù)

1、放電等離子體燒結(jié)技術(shù)第1頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三目錄1 SPS合成技術(shù)的發(fā)展 2 等離子體燒結(jié)技術(shù)原理3 等離子體放電燒結(jié)的工藝 4 等離子體放電燒結(jié)在應(yīng)用舉例第2頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三1930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1965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SPS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SPS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)80年代末期開(kāi)始的。1988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)域內(nèi)推廣應(yīng)

2、用。1990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，具有10100t的燒結(jié)壓力和50008000A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)。1996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)一次。 第3頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三由于SPS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SPS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SPS進(jìn)行新材料的開(kāi)發(fā)和研究。 第4頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三9.2 SPS合成技術(shù)原理等離子體燒結(jié)技術(shù)的概念等離子體 等離子體是

3、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。 第5頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS) 放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering）簡(jiǎn)稱SPS，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)。 該技術(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)，因此有時(shí)也被稱為等離子活化燒結(jié)(Plasma Activated Sinteriny,PAS)或等離子體輔助燒結(jié)（Plasma Assister Sinterin

4、y,PAS）。 第6頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三 該技術(shù)是通過(guò)將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF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）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)。第7頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三等離子體燒結(jié)技術(shù)的原理 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)的中間過(guò)程還有待于進(jìn)一步研究。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放電等離子燒結(jié)的

5、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)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)生間歇式快速放電。 第8頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三放電等離子體形成的機(jī)理示意圖第9頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三目前一般認(rèn)為：SPS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SPS過(guò)程特有的現(xiàn)象 。第10頁(yè)，共24頁(yè)

6、，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三第一，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)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；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)比通常熱壓條件下的要大得多，從而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化;第三，ON- OFF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。使脈沖集中在晶粒結(jié)合處是SPS過(guò)程的一個(gè)特點(diǎn)。第11頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月

7、20日，15點(diǎn)39分，星期三 SPS過(guò)程中，顆粒之間放電時(shí)，會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千度至1萬(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。 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)-凝固傳遞是SPS過(guò)程的另一個(gè)重要特點(diǎn)。 第12頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三等離子體燒結(jié)技術(shù)的工藝流程選擇適當(dāng)模具計(jì)算所需粉體質(zhì)量填充模具施加壓力放入等離子體燒結(jié)靜壓成型電腦調(diào)節(jié)燒結(jié)參數(shù)等離子體快速燒結(jié)試樣成品性能檢測(cè)與研究第13頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三1

8、23456脈沖電流發(fā)生器水冷真空室SPS加壓裝置SPS控制裝置位移測(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)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 第14頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三放電等離子燒結(jié)優(yōu)點(diǎn) 放電等離子燒結(jié)由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間，因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： 燒結(jié)速度快； 改進(jìn)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和提高材料的性能 第15頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三 放電等離子燒結(jié)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體，升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻

9、、有利于控制燒結(jié)體的細(xì)微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高，并且有著操作簡(jiǎn)單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等優(yōu)點(diǎn)。第16頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三等離子體燒結(jié)技術(shù)的適用范圍 由于其獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)理，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。第17頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三納米材料 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

10、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(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，特別有利于制備納米材料。 第18頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三梯度功能材料 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(guò)SPS技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。

11、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。 第19頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三電磁材料 采用SPS技術(shù)還可以制作SiGe，PbTe，BiTe，F(xiàn)eSi，CoSb3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、貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池材料、光學(xué)材料等。 第20頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三金屬間化合物 金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點(diǎn)，因此制備或生產(chǎn)需要特殊的過(guò)程。利用熔化法（

12、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、真空系統(tǒng)，而且需要進(jìn)行對(duì)其二次加工（鍛造）。利用SPS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)熱作用和表面活化作用，可實(shí)現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)，所以SPS技術(shù)為制備金屬間化合物的一種有效方法。目前，利用SPS技術(shù)已制備的金屬間化合物體系有：Ti-Al體系、Mo-Si體系、Ni-Al體系等。第21頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三高致密度、細(xì)晶粒陶瓷和金屬陶瓷 在SPS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)所必需的傳熱過(guò)程在SPS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)晶粒陶瓷，SPS是一種很有優(yōu)勢(shì)的燒結(jié)手段。 第22頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)39分，星期三其他材料 此外，SPS技術(shù)也已成功地應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料（MMC）、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)，SPS在硬質(zhì)合金的燒結(jié)，多層金屬粉末的同步連接（bonding）、陶瓷粉末和金屬粉末的連接以及固體-粉末-固體的連接方面也已有了廣泛的應(yīng)用。第23頁(yè)，