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)目錄1 SPS1 SPS合成技術(shù)的發(fā)展合成技術(shù)的發(fā)展 2 2 等離子體燒結(jié)技術(shù)原理等離子體燒結(jié)技術(shù)原理3 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 4 4 等離子體放電燒結(jié)在應(yīng)用舉例等離子體放電燒結(jié)在應(yīng)用舉例n19301930年，美國(guó)科學(xué)家提出利用等離子體脈沖電流燒結(jié)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，但是直到原理，但是直到19651965年，脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、年，脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用。日本獲得了日等國(guó)得到應(yīng)用。日本獲得了SPSSPS技術(shù)的專利，但當(dāng)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，因此時(shí)未能解決該技術(shù)存在的

2、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，因此SPSSPS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。 nSPS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)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。n1988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，并在新材裝置，并在新材料研究領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用。料研究領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用。n1990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第三第三代產(chǎn)品，具有代產(chǎn)品，具有10100t的燒結(jié)壓力和的燒結(jié)壓力和50008000A脈沖脈沖電流，其優(yōu)良的燒結(jié)特性，大大促進(jìn)了新材料的開(kāi)發(fā)。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)。n1996年，

3、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)，并每研討會(huì)，并每年召開(kāi)一次。年召開(kāi)一次。 n由于由于SPSSPS技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點(diǎn)，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)都相繼配備了近幾年國(guó)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)用金屬、陶瓷、復(fù)合材料及功燒結(jié)系統(tǒng)，應(yīng)用金屬、陶瓷、復(fù)合材料及功能材料的制備，并利用能材料的制備，并利用SPSSPS進(jìn)行新材料的開(kāi)發(fā)和進(jìn)行新材料的開(kāi)發(fā)和研究。研究。 9.2 SPS合成技術(shù)原理合成技術(shù)原理等離子體燒結(jié)技術(shù)的概念等離子體燒結(jié)技術(shù)的概念等離子體等離子體 等離子體是宇宙中物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，

4、等離子體是宇宙中物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，是是除固、液、氣三態(tài)外物質(zhì)的除固、液、氣三態(tài)外物質(zhì)的第四種狀態(tài)第四種狀態(tài)。所謂等離子體就是指所謂等離子體就是指電離程度較高、電離電離程度較高、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子、離子、原子或自由基等粒子組成的集合體。合體。 等離子體燒結(jié)技術(shù)等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS)(SPS) 放 電 等 離 子 燒 結(jié) （放 電 等 離 子 燒 結(jié) （ S p a r k P l a s m a S p a r k P l a s m a SinteringSintering）簡(jiǎn)稱）簡(jiǎn)稱SPSS

5、PS，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種，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)。新型的快速燒結(jié)技術(shù)。 該技術(shù)是該技術(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)行加熱燒結(jié)，因此有時(shí)也被稱為，因此有時(shí)也被稱為等離子活化燒結(jié)等離子活化燒結(jié)(Plasma Activated Sinteriny,PAS)(Plasma Activated Sinteriny,PAS)或等或等離子體離子體輔助燒結(jié)輔助燒結(jié)（Plasma Assister Sinteriny,PASPlasma Assister Sinteriny,PAS）。）。 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

6、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，直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通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)。等離子體燒結(jié)技術(shù)的原理等離子體燒結(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)，

7、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。其燒結(jié)的中間過(guò)程還有待于進(jìn)一步研究。SPSSPS的制的制造商造商SumitomoSumitomo公司的公司的M.TokitaM.Tokita最早提出放電等離最早提出放電等離子燒結(jié)的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：子燒結(jié)的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：粉末顆粒微區(qū)還存在電粉末顆粒微區(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，

8、電能貯存在顆粒團(tuán)的介電層到凈化和活化作用，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。中，介電層發(fā)生間歇式快速放電。 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n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 。第一第一，由于脈沖放電產(chǎn)生的

9、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，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，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，都都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散大大促進(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，其擴(kuò)散系

10、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)，發(fā)熱部件，都會(huì)快速移動(dòng)，使粉末的燒結(jié)能夠均勻化使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。使脈沖。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)。n SPS SPS過(guò)程中，顆粒之間放電時(shí)，會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高過(guò)程中，顆粒之間放電時(shí)，會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千度至達(dá)幾千度至1 1萬(wàn)度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸萬(wàn)度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在顆

11、粒接觸點(diǎn)形成頸部，由于熱量立發(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。部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位。n 氣相物質(zhì)凝聚在頸部形成高于普通燒結(jié)方法氣相物質(zhì)凝聚在頸部形成高于普通燒結(jié)方法的蒸發(fā)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)。 等離子體燒結(jié)技術(shù)的工藝流程等離子體燒結(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)

12、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123456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 放電等離子燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)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

13、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 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、電阻加熱電阻加熱為為一體，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)溫度低燒結(jié)溫度低、晶粒均晶粒均勻勻、有利于控制燒結(jié)體的、有利于控制燒結(jié)體的細(xì)微結(jié)構(gòu)細(xì)微結(jié)構(gòu)、獲得材料的、獲得材料的致密度致密度高高，并且有著，并且有著操作簡(jiǎn)單操作簡(jiǎn)單、再現(xiàn)性高再現(xiàn)性高、安全可靠安全可靠、節(jié)省空節(jié)省空間間、節(jié)省能源節(jié)省能源及及成本低成本低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。等離子體燒結(jié)技術(shù)的適用范圍等離子體燒結(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)具有升溫速度快、燒技術(shù)具

14、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)，結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，SPSSPS已廣泛已廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于納米材料納米材料、梯度功能材料梯度功能材料、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、陶瓷等材料陶瓷等材料的制備。的制備。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。利用密的要求。利用SPSSPS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用利用SPSS

15、PS技術(shù)，因其技術(shù)，因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化。 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)生的反應(yīng)歷程，避免一些不必要的反應(yīng)發(fā)生，這就，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。利于合成介穩(wěn)材料，特別有利于制備納米材料。 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)(FGM

16、)是一種組成在某個(gè)方向上是一種組成在某個(gè)方向上梯度分布的復(fù)合材料梯度分布的復(fù)合材料，各層的燒結(jié)溫度不同，利用，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。利用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以一次燒成。利用CVD ,PVDCVD ,PVD等方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)產(chǎn)。通過(guò)SPSSPS技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。 SPSSPS可以制造陶瓷可以制造陶瓷/ /金屬、聚合物金屬、聚合物/ /金屬以及其金屬以及其他耐熱梯度、耐磨梯度、硬度梯度、導(dǎo)電梯度、孔他耐熱梯度、耐磨梯度、硬度梯度、導(dǎo)電梯度、孔隙度梯度

17、等材料。梯度層可到隙度梯度等材料。梯度層可到1010多層，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫多層，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。度的梯度分布。 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。料、固體電池材料、光學(xué)材料等。 金屬間化合物金屬間化合物 金屬間

18、化合物具有常溫脆性和高熔點(diǎn)，因此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、感應(yīng)熔化等）制備金屬間化花熔化、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）。對(duì)其二次加工（鍛造）。利用利用SPSSPS技術(shù)準(zhǔn)備金屬間技術(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)表面活化作用，可實(shí)現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)，所以，所以SPSSPS技術(shù)為制備

19、金屬間化合物的一種有效方法。目前，技術(shù)為制備金屬間化合物的一種有效方法。目前，利用利用SPSSPS技術(shù)已制備的金屬間化合物體系有：技術(shù)已制備的金屬間化合物體系有：Ti-Ti-AlAl體系、體系、Mo-SiMo-Si體系、體系、Ni-AlNi-Al體系等。體系等。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)程在燒結(jié)時(shí)所必需的傳熱過(guò)程在SPSSPS過(guò)程中可以忽略不過(guò)程中可以忽略不計(jì)。因此計(jì)。因此燒結(jié)時(shí)間可以大為縮短，燒結(jié)溫度也明燒結(jié)時(shí)間可以大為縮短，燒結(jié)溫度也明顯降低顯降低。對(duì)于制備