放电等离子烧结技术详解

放电等离子烧结技术详解
[导读]放电等离子烧结(SPS)，又称等离子活化烧结或等离子辅助烧结，是近年发展起来的一种快速、节能、环保的材料制备加工新技术，可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间复合材料等一系列新型材料的烧结。

一、放电等离子烧结技术的特点
SPS的主要特点是利用加热和表面活化实现材料的超快速致密化烧结，其具有升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、加热均匀、生产效率高、节约能源等优点，除此之外由于等离子体的活化和快速升温烧结的综合作用，抑制了晶粒的长大，保持了原始颗粒的微观结构，从而在本质上提高了烧结体的性能，并使得最终的产品具有组织细小均匀、能保持原材料的自然状态、致密度高等特点，与热压烧结和热等静压烧结相比，SPS装置操作简单。

二、放电等离子烧结技术的烧结机理
SPS是集等离子活化、热压和电阻加热为一体的烧结技术。

对于SPS的烧结机理，一般认为，SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的表面活化作用和自发热作用，因而产生了SPS过程所特有的有益于烧结的现象。

施加直流开关脉冲电流的作用
SPS烧结系统主要由轴向压力装置、水冷冲头电极、真空腔体、气氛控制系统、直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量和安全控制单元等几部分组成；其中最主要的是通-断脉冲电源，通过通-断脉冲电源可以产生放电等离子体、焦耳热、放电冲击压和电场辅助扩散效应。

离子烧结设备结构示意图
三、放电等离子烧结技术的应用
SPS烧结升温速度快，烧结时间短，既可以用于低温、高压（500~1000MPa），又可以用于低压（20~30MPa）、高温（1000~2000℃）的烧结，因此可广泛的应用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结。

适合SPS制备的材料
1、制备纳米材料
纳米材料因其具有高强度高塑性而具有广阔的应用前景，如何抑制晶粒的长大是获得纳米材料的关键。

放电等离子烧结技术由于升温速度快、烧结时间短可以极大地抑制待烧结样品内部的晶粒的长大，从而可以获得晶粒为纳米级别的材料，尤其适用于通过机械合金化等方法获得的粉末的烧结。

2、制备大块非晶合金
大块非晶合金因其具有高强度、高弹性模量和优异的耐腐蚀性能而成为新型的功能和工程材料。

目前制备大块非晶合金的方法主要通过机械合金化制备非晶合金粉末，再利用放电等离子烧结方法在低温高压条件下对非晶合金粉末进行烧结。

3、制备梯度功能材料
梯度功能材料是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。

利用CVD、PVD等方法制备梯度材
料，成本很高，也很难实现工业化。

应用SPS方法可以很好地克服这一难点，实现烧结温度的梯度分布。

4、高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷
在SPS过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的孔隙本身都可能是发热源，用通常方法烧结时所必需的传热过程在SPS中可以忽略不计，因此烧结时间可以大为缩短，烧结温度也可以明显降低。

对于制备高致密度、细晶粒陶瓷，SPS 是一种很有优势的烧结手段。

用SPS来制备高密度、细晶粒陶瓷不仅降低了温度和提高了烧结致密度，更主要的是大幅缩短了烧结时间，这对于工业生产来说，在节约能源、提高生产效率等方面都具有重要的意义。

四、结语
放电等离子烧结技术具有在较低温度下实现快速烧结的特点，与传统烧结方法相比，可以节约能源、节约时间、提高效率，所得的烧结体晶粒均匀、致密度高、力学性能好。

SPS的推广和应用将在新材料的研究和生产领域中发挥重要的作用。