放电等离子烧结(SPS)技术简介
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放电等离子烧结（SPS）技术
主讲人：谢新凤 班级： 材料四班 学号： 20113493
放电等离子烧结（SPS）技术
Байду номын сангаас
1
简介
系统结构
2
及机理
3 工艺特点
4
应用
放电等离子烧结（SPS）技术
1
SPS技术简介
• 放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)简称SPS，是近年来 发展起来的一种新型的快速烧结技术。
Thank you !
放电等离子烧结（SPS）技术
4
SPS技术应用
SPS可加工材料
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备纳米材料 纳米材料以其独特的性能特点,引起材料学界的关注,但纳米 晶块体材料的较为有效和实用的制备方法目前还在研究探 索之中。 SPS技术由于烧结时间大大缩短,可以抑制晶粒的长大,因此， 有望获得致密的纳米材料。
等离子体的产生可以净化金 属颗粒表面,提高烧结活性,降低 金属原子的扩散自由能,有助于 加速原子的扩散。
放电等离子烧结（SPS）技术
当脉冲电压达到一定值时,粉体间的绝缘层被击穿而放电, 使粉体颗粒产生自发热,进而使其高速升温。粉体颗粒高速 升温后,晶粒间结合处通过扩散迅速冷却,电场的作用因离子 高速迁移而高速扩散,通过重复施加开关电压,放电点在压实 颗粒间移动而布满整个粉体。使脉冲集中在晶粒结合处是 SPS过程的一个特点。
• 该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高 温场来实现烧结过程,对于实现优质高效、低耗低成本的材 料制备具有重要意义。在纳米材料、复合材料等的制备中 显示了极大的优越性,现已应用于金属、陶瓷、复合材料以 及功能材料的制备。
• 目前，国内外许多大学和科研机构利用SPS进行新材料的 研究与开发,并对其烧结机理与特点进行深入研究,而其快 速升温的特点,可作为制备纳米块体材料的有效手段。
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备高致密度、细晶粒陶瓷 在SPS过程中,每一个粉末及其相互间的孔隙都是发热源, 因此烧结时传热时间极短,可以忽略不计,烧结温度也大 为降低,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料。
参考文献： 王 松，谢 明，张吉明，等.放电等离子烧结技术进展[J]. 贵金属，2012, 33(3)：73-77. 冯海波，周 玉，贾德昌．放电等离子烧结技术的原理及 应用[J]．材料科学与工艺，2003，11(3)：327-331．
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备梯度功能材料 梯度功能材料(FGMs)是一种组成在某个方向上梯度分布的 复合材料,在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相 差较大,且界面的膨胀系数不同而产生热应力,给材料的制备 带来困难,而应用SPS方法可以很好的克服这一难点,实现烧 结温度的梯度分布。通过SPS技术可以制造陶瓷/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。
放电等离子烧结（SPS）技术
3
SPS工艺特点
与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10～1/20。
放电等离子烧结（SPS）技术
2
SPS技术系统结构
将金属等粉末装入由石 墨等材质制成的模具内， 利用上、下模冲和通电电 极将特定烧结电源和压制 压力施加在烧结粉末。经 放电活化、热塑变形和冷 却阶段完成制取高性能材 料或制件。 是将电能和机 械能同时赋于烧结粉末的 一种新工艺。
放电等离子烧结（SPS）技术
颗粒之间放电时会产生局部高温,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气压低于其 他部位。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。
晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用,体扩散、晶 界扩散都得到加强,加速了烧结致密化过程,因此用较低的温 度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。
• 烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟 ，其加热速度可以高达106℃/s，自动化生产小型制件时的 生产率可达400件/h。
放电等离子烧结（SPS）技术
• 采用石墨模具，成本低，加工方便。 • 大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。 • 脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。 • 节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。
2
SPS技术机理
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,如 图2所示。
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS的烧结有两个非常重要 的步骤,首先由特殊电源产生的 直流脉冲电压,在粉体的空隙产 生放电等离子,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,介电层发生间歇式 快速放电,如图3所示。
主讲人：谢新凤 班级： 材料四班 学号： 20113493
放电等离子烧结（SPS）技术
Байду номын сангаас
1
简介
系统结构
2
及机理
3 工艺特点
4
应用
放电等离子烧结（SPS）技术
1
SPS技术简介
• 放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)简称SPS，是近年来 发展起来的一种新型的快速烧结技术。
Thank you !
放电等离子烧结（SPS）技术
4
SPS技术应用
SPS可加工材料
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备纳米材料 纳米材料以其独特的性能特点,引起材料学界的关注,但纳米 晶块体材料的较为有效和实用的制备方法目前还在研究探 索之中。 SPS技术由于烧结时间大大缩短,可以抑制晶粒的长大,因此， 有望获得致密的纳米材料。
等离子体的产生可以净化金 属颗粒表面,提高烧结活性,降低 金属原子的扩散自由能,有助于 加速原子的扩散。
放电等离子烧结（SPS）技术
当脉冲电压达到一定值时,粉体间的绝缘层被击穿而放电, 使粉体颗粒产生自发热,进而使其高速升温。粉体颗粒高速 升温后,晶粒间结合处通过扩散迅速冷却,电场的作用因离子 高速迁移而高速扩散,通过重复施加开关电压,放电点在压实 颗粒间移动而布满整个粉体。使脉冲集中在晶粒结合处是 SPS过程的一个特点。
• 该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高 温场来实现烧结过程,对于实现优质高效、低耗低成本的材 料制备具有重要意义。在纳米材料、复合材料等的制备中 显示了极大的优越性,现已应用于金属、陶瓷、复合材料以 及功能材料的制备。
• 目前，国内外许多大学和科研机构利用SPS进行新材料的 研究与开发,并对其烧结机理与特点进行深入研究,而其快 速升温的特点,可作为制备纳米块体材料的有效手段。
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备高致密度、细晶粒陶瓷 在SPS过程中,每一个粉末及其相互间的孔隙都是发热源, 因此烧结时传热时间极短,可以忽略不计,烧结温度也大 为降低,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料。
参考文献： 王 松，谢 明，张吉明，等.放电等离子烧结技术进展[J]. 贵金属，2012, 33(3)：73-77. 冯海波，周 玉，贾德昌．放电等离子烧结技术的原理及 应用[J]．材料科学与工艺，2003，11(3)：327-331．
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备梯度功能材料 梯度功能材料(FGMs)是一种组成在某个方向上梯度分布的 复合材料,在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相 差较大,且界面的膨胀系数不同而产生热应力,给材料的制备 带来困难,而应用SPS方法可以很好的克服这一难点,实现烧 结温度的梯度分布。通过SPS技术可以制造陶瓷/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。
放电等离子烧结（SPS）技术
3
SPS工艺特点
与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10～1/20。
放电等离子烧结（SPS）技术
2
SPS技术系统结构
将金属等粉末装入由石 墨等材质制成的模具内， 利用上、下模冲和通电电 极将特定烧结电源和压制 压力施加在烧结粉末。经 放电活化、热塑变形和冷 却阶段完成制取高性能材 料或制件。 是将电能和机 械能同时赋于烧结粉末的 一种新工艺。
放电等离子烧结（SPS）技术
颗粒之间放电时会产生局部高温,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气压低于其 他部位。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。
晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用,体扩散、晶 界扩散都得到加强,加速了烧结致密化过程,因此用较低的温 度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。
• 烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟 ，其加热速度可以高达106℃/s，自动化生产小型制件时的 生产率可达400件/h。
放电等离子烧结（SPS）技术
• 采用石墨模具，成本低，加工方便。 • 大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。 • 脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。 • 节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。
2
SPS技术机理
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,如 图2所示。
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS的烧结有两个非常重要 的步骤,首先由特殊电源产生的 直流脉冲电压,在粉体的空隙产 生放电等离子,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,介电层发生间歇式 快速放电,如图3所示。