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，美國科學(xué)家提出利用等離子體脈沖電流燒結(jié)年，美國科學(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、日等國得到應(yīng)用。日本獲得了日等國得到應(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)時未能解決該技術(shù)存在的生產(chǎn)效率低等問題，因此時未能解決該技術(shù)存在的

2、生產(chǎn)效率低等問題，因此SPSSPS技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。 nSPS技術(shù)的推廣應(yīng)用是從上個世紀(jì)技術(shù)的推廣應(yīng)用是從上個世紀(jì)80年代末期開始的。年代末期開始的。n1988年日本研制出第一臺工業(yè)型年日本研制出第一臺工業(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，大大促進了新材料的開發(fā)。電流，其優(yōu)良的燒結(jié)特性，大大促進了新材料的開發(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，并每研討會，并每年召開一次。年召開一次。 n由于由于SPSSPS技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點，技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點，近幾年國外許多大學(xué)和科研機構(gòu)都相繼配備了近幾年國外許多大學(xué)和科研機構(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進行新材料的開發(fā)和進行新材料的開發(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）簡稱）簡稱SPSS

5、PS，是近年來發(fā)展起來的一種，是近年來發(fā)展起來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在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結(jié)行加熱燒結(jié)，因此有時也被稱為，因此有時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)是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的該技術(shù)是通過將特殊

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)促進作用（放電沖擊壓常放電加工所引起的燒結(jié)促進作用（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)促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)體）所引起的燒結(jié)促進作用通過瞬時高溫場實現(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)機理目前還沒有達成較為統(tǒng)一的認(rèn)識，

7、燒結(jié)機理目前還沒有達成較為統(tǒng)一的認(rèn)識，其燒結(jié)的中間過程還有待于進一步研究。其燒結(jié)的中間過程還有待于進一步研究。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，他認(rèn)為：子燒結(jié)的觀點，他認(rèn)為：粉末顆粒微區(qū)還存在電粉末顆粒微區(qū)還存在電場誘導(dǎo)的正負極，在脈沖電流作用下顆粒間發(fā)生場誘導(dǎo)的正負極，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、電能貯存在顆粒團的介電層到凈化和活化作用，電能貯存在顆粒團的介電層中，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機理理示示意意圖圖n目前一般認(rèn)為目前一般認(rèn)為：SPSSPS過程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱過程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促進燒結(jié)過程外，還在粉和加壓造成的塑性變形促進燒結(jié)過程外，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過程特有的現(xiàn)象過程特有的現(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，由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動，可使粉末吸附的氣體逸散，中反方向的高速流動，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，都都大大促進了粉末顆粒原子的擴散大大促進了粉末顆粒原子的擴散，其擴散系數(shù)比通常熱壓條，其擴散系

10、數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多，從而達到粉末燒結(jié)的快速化件下的要大得多，從而達到粉末燒結(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，都會快速移動，發(fā)熱部件，都會快速移動，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過程的一個特點。過程的一個特點。n SPS SPS過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產(chǎn)生高過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產(chǎn)生高達幾千度至達幾千度至1 1萬度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸萬度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在顆

11、粒接觸點形成頸部，由于熱量立發(fā)和熔化，在顆粒接觸點形成頸部，由于熱量立即從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴散，頸即從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴散，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過程的另一個重要特點。過程的另一個重要特點。 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)模具計算所需粉體質(zhì)量計算所需粉體質(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與研究性能檢測與研究123456脈沖電流發(fā)生器水冷真空室SPS加壓裝置SPS控制裝置位移測量系統(tǒng)氣氛控制系統(tǒng)水冷系統(tǒng)溫度測量系統(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)點放電等離子燒結(jié)優(yōu)點 放電等離子燒結(jié)由于強脈沖電流加在粉放電等離子燒結(jié)由于強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：效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)有以下優(yōu)點：u 燒結(jié)速度快；燒結(jié)速度快；u 改進陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和

13、提高材料的性能改進陶瓷顯微結(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)時間短燒結(jié)時間短、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)體的細微結(jié)構(gòu)細微結(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，并且有著操作簡單操作簡單、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。等優(yōu)點。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 由于其獨特的燒結(jié)機理，由于其獨特的燒結(jié)機理，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)時間短、節(jié)能環(huán)保等特點，結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、節(jié)能環(huán)保等特點，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，又達到完全致材料，很難保證晶粒的納米尺寸，又達到完全致密的要求。利用密的要求。利用SPSSPS技術(shù)，因其加熱迅速，合成時技術(shù)，因其加熱迅速，合成時間短，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，合成時間短，可明顯抑制晶粒粗化。加熱迅速，合成時間短，可明顯抑制晶粒粗化。 利用利用SPSSPS能快速降溫這一特點來控制燒結(jié)過程能快速降溫這一特點來控制燒結(jié)過程的反應(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，這一點有料中得以保留，在更廣泛的意義上說，這一點有利于合成介穩(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、)是一種組成在某個方向上是一種組成在某個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，也很難實現(xiàn)工業(yè)化生法制備梯度材料，成本很高，也很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。通過產(chǎn)。通過SPSSPS技術(shù)可以很好地克服這一難點。技術(shù)可以很好地克服這一難點。 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，實現(xiàn)燒結(jié)溫多層，實現(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，因此金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點，因此制備或生產(chǎn)需要特殊的過程。利用熔化法（電火制備或生產(chǎn)需要特殊的過程。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)，而且需要進行合物往往需要高能量、真空系統(tǒng)，而且需要進行對其二次加工（鍛造）。對其二次加工（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，因為有效利用了顆粒間的自發(fā)熱作用和化合物，因為有效利用了顆粒間的自發(fā)熱作用和表面活化作用，可實現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)表面活化作用，可實現(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、細晶粒陶瓷和金屬陶瓷高致密度、細晶粒陶瓷和金屬陶瓷 在在SPSSPS過程中，樣品中每一個粉末顆粒及其過程中，樣品中每一個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)時所必需的傳熱過程在燒結(jié)時所必需的傳熱過程在SPSSPS過程中可以忽略不過程中可以忽略不計。因此計。因此燒結(jié)時間可以大為縮短，燒結(jié)溫度也明燒結(jié)時間可以大為縮短，燒結(jié)溫度也明顯降低顯降低。對于制備