等离子烧结技术

结装臵可以在较低的温度下烧结成型。高温烧结，容易破坏
样品结构，促进晶粒长大，导致样品的热性能不佳。 第三：烧结速度快。普通烧结方法需要数小时甚至数十个小
时才能反应生成。而放电等离子体烧结装臵可以在几分钟内
烧结成型，可以极大地缩短制备时间，提高效率。
等离子体烧结工艺
等离子体烧结工艺优势
材料类别
纳米材料 梯度功能材料 金属间化合物 高致密度、细晶粒陶瓷
等离子体技术发展
等离子体英文词 “Plasma” 源予希腊文“πλασμα”，是1928年朗缪尔
把辉光放电产生的电离气体命名为“Plasma”而引入的；
中文译词“等离子体”（台湾称“电浆”）其本意是电离状态气体正负电 荷大体相等，整体上处于电中性（准电中性）；
19世纪30年代气体放电管中电离气体的应用研究；
所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术，
简称 SPS 技术，也称等离子活化烧结（ PAS ）、等离子体辅助烧结
（PAS）。
等离子体烧结原理
在粉末颗粒间直接 通入脉冲电流进行 加热烧结
放电等离子烧 结（SPS）技术 等离子活化烧结 (Plasma Activate d Sinteriny, PAS)
等离子体技术发展
低温冷等离子体形成方法
真空条件下直流辉光放电 真空条件下的射频辉光放电
真空条件下的微波等离子体
电晕放电 大气等离子体炬 大气条件下的介质层放电
等离子体烧结原理
放电等离子体烧结（Spark Plasma Sintering）简称SPS，是一种 快速粉末烧结方式。它利用脉冲电流加热烧结，具有加热均匀、升温速度 快、烧结温度低、致密度高等特点，适用于纳米材料、梯度功能材料、金
等离子体烧结工艺
等离子烧结技术的应用
等离子体技术发展
等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和 气体三种状态，当温度进一步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状 态，形成电子、离子组成的体系，这种有大量带电粒子（有时还有中心离
子）组成的体系即为等离子体。
等离子体是物质纯在的第4种状态，称为物质第四态。
第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方 向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在 一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化； 第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位 产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了 粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从 而达到粉末烧结的快速化; 第三，ON- OFF快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部 件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化。使脉冲集中在晶粒结
的热电转化元件，以及广泛用于
电子领域的各种功能材料，如超 导材料、磁性材料、靶材、介电
材料、贮氢材料、形状记忆材料、
固体电池材料、光学材料等。
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等离子体烧结技术制备金属间化合物
金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此
等离子体技术发展
普通气体
等离子体
放电
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体
等离子体技术发展
等离子体定义
• 必须指出，并非任何带电粒子组成的体系都是等离子体，只有具备 了等离子体特性的带电粒子体系，才可称为等离子体。 • 等离子体是由大量正负带电粒子组成的(有时还有中性粒子)、在空间 尺度和时间尺度具有准电中性的、在电磁场及其他长程力作用下粒 子的运动和行为以集体效应为主的体系。
等离子体烧结合成技术
哈尔滨工程大学 结构功能一体化材料研究所
序---等离子体放电
等离子体
等离子体广泛存在于宇宙空间，从电离层到宇宙深处 物质几乎都是电离状态，宇宙空间99%是等离子体； 地球表面几乎没有自然存在的等离子体，只有闪电、
气体放电等过程中出现等离子气体。
等离子体烧结合成技术
等离子体技术发展 等离子体烧结原理
等离子体技术发展---分类
极光、日光灯
电弧、碘钨灯
冷等离子体 Te≠Ti, Ta
热等离子体 Te＝Ti, Ta
聚变、太阳核心
低 温 等离子体
高 温 等离子体
100000C
电子温度
1eV
等离子体技术发展
低温等离子体
电子温度>>离子温度，电子温度 可达上万度，而离子和中性粒子 的温度却可低至室温，因此，整 个体系的表观温度还是很低，故 又称为低温等离子体。
域内推广应用；
1990 年以后，日本推出了可用于工业生产的 SPS 第三代产品，具
有10~100t的烧结压力和5000~8000A脉冲电流，其优良的烧结特
性，大大促进了新材料的开发；
1996 年，日本组织了产学官联合的 SPS 研讨会，并每年召开一次； 2000 年，清华大学引进 SPS 烧结技术，引导中国等离子体烧结技
SPS 可以制造陶瓷 /ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ金属、聚合物 / 金属以及
其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电
梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多 层，实现烧结温度的梯度分布。
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等离子体烧结技术制备电磁材料
采 用 SPS 技 术 可 以 制 作 SiGe ，
PbTe，BiTe ， FeSi，CoSb3等体系
金属陶瓷
金属间化合物 其它
等离子体烧结工艺
等离子体烧结工艺流程
等离子体烧结工艺
等离子体烧结工艺流程
•
在进行具体的试验操作时，将试样装入石墨模具中，
模具臵于上下电极之间，通过油压系统加压，然后对腔体
抽真空，达到要求的真空度后通入脉冲电流进行实验。脉 冲大电流直接施加于导电模具和样品上，通过样品及间隙 的部分电流激活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离 子体，粉末颗粒表面被活化、发热，同时，通过模具的部
高硬度，高强，耐腐蚀，耐高温和膨胀系数小
等离子体烧结材料体系
分类 举例
金属系
陶瓷系
Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni、Cr、Mo、Su、Ti、 W、Be
氧化物 Al2O3,ZrO2,MgO,SiO2,TiO2,HfO2 碳化物 SiC,B4C,TaC,WC,ZrC,VC 氮化物 Si3N4,TaN,TiN,AlN,ZrN,VN 硼化物 TiB2,HfB2,LaB6,ZrB2,VB2 氟化物 LiF,CaF2,MgF2 Si3N4+Ni, Al2O3+Ni Al2O3+TiC, SuS+ZrO2, Al2O3+SuS SuS+WC/Co, BN+Fe, WC+Co+Fe TiAl, MoSi2, Si3Zr5, NiAl, NbCo, NbAl, LaBaCuO4 有机材料(聚酰亚胺等)，复合材料
高温等离子体
电子温度和离子温度相等时，
等离子体在宏观上处于热力学平衡 状态，因体系温度可达上万度，故 称为高温等离子体。
等离子体技术发展--应用
日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、
烧结、冶炼、加热、有害物处理
高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波 器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹
传统烧结
SPS 合成时间短，抑制晶粒粗 难以保证纳米尺寸，又达 化，降温速度快，粉末中 到完全致密性 亚结构可以保存 难以一次烧结成功，成本 成本低，可烧结十几层 高 需高能量、真空，需二次 低温、快速烧结 加工 效果难以保证 低温、快速烧结
等离子体烧结工艺
不同烧结工艺比较
新型SPS烧结装备
等离子体烧结工艺
属材料、复合材料、陶瓷材料等材料的烧结。
烧结原理
致密化
等离子体烧结原理
等离子体烧结技术（SPS）是通过将特殊电源控制装臵发生 的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工 所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用
脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）
• 气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发 - 凝
固传递是SPS过程的另一个重要特点。
等离子体烧结工艺
等离子体烧结工艺特征
第一：致密度高。晶粒受脉冲电流和垂直单向压力的作用， 加强体扩散和晶界扩散，可以加速致密化的进程。晶粒的空
隙处放电时，会产生高达几千度至一万度的局部高温，在晶
粒 表 面 引 起 蒸 发 和 熔 化 ， 促 进 材 料 的 烧 结 。 第二：烧结温度较低。相比普通烧结方法，放电等离子体烧
合处是SPS过程的一个特点。
•
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自发热作用，因 而产生了一些SPS过程特有的现象 。
等离子体烧结装备
1988 年，日本研制出第一台工业型 SPS 装臵，并在新材料研究领
等离子体烧结装备
等离子体烧结设备及工作原理
等离子体烧结工艺
放电烧结 粉末装模 模压 放电活化 塑性变形 冷却
等离子体烧结模具
石墨模具 重量的损失很小，热膨胀系数也很小。 石墨模具
非常稳定的氧化物、或碳 ( 氮 ) 化物，
陶瓷模具的优点是使用温度高，强度高、 硬度高、防潮、耐磨、耐污、耐腐蚀、耐 高温、易清洗、变形小、绝缘性好，具有 金属模具 一定的抗急冷急热性能。
等离子体辅助 烧结（Plasma Assister Sinteri ny, PAS）
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等离子体烧结原理
• SPS 烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧
结的中间过程还有待于进一步研究；
• SPS 的制造商 Sumitomo 公司的 M.Tokita 最早提出放电
等离子烧结的观点，他认为：粉末颗粒微区还存在电 场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电， 激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的 接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作 用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇
等离子体烧结工艺参数的影响
温度 时间 压力
气氛
冷却速率
等离子体烧结技术应用
纳米材料
梯度功能材料
金属材料 磁性材料 陶瓷材料 复合材料
等离子体烧结技术制备纳米材料
传统的热压烧结、热等静压等方法制备
纳米材料，很难保证晶粒的纳米尺寸， 又达到完全致密的要求。
利用 SPS 技术，因其加热迅速，合成时
分电流加热模具，使模具开始对试样传热，试样温度升高，
开始收缩，产生一定的密度，并随着温度的升高而增大， 直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。
等离子体烧结工艺
等离子体烧结工艺流程
• SPS过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度
至1万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在
颗粒接触点形成颈部，由于热量立即从发热中心传递到 颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于 其他部位。
式快速放电。
等离子体烧结原理
• 目前一般认为： 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自发热 作用，因而产生了一些SPS过程特有的现象 。
等离子体烧结原理
放电等离子体形成的机理示意图
等离子体烧结原理
术和装备的进步；
2015年，清华大学再次同时购臵2台SPS-211Lx设备（第四代） ………
等离子体烧结装备
“工欲善其事，必先利其器”
清华大学两台放电等离子烧结设备从日本出港 仪器信息网 2015/04/21 07:55:20 清华大学继 2000年首次购置日本富士 SPS-1050T以来取得了一系列令人瞩目的 成果。时隔15年后，2015年再次同时购置2台SPS-211Lx设备。
间短，可明显抑制晶粒粗化。利用 SPS 技术，因其加热迅速，合成时间短，可
明显抑制晶粒粗化。
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等离子体烧结技术制备梯度材料
梯度功能材料(FGM)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，也很难实现工业化生产。通过SPS 技术 可以很好地克服这一难点。
20世纪30年代到50年代初初步建立了等离子体物理的基本理论框架和描述 方法，同时把研究范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离层和天体； 20世纪50年代起，在热聚变研究和空间技术研究的巨大推动下，等离子体 物理才得到充分的发展并成熟起来； 20世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物理学独立分支学科。