放電等離子燒結系統(tǒng)(sps)

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1、粉末冶金研究先進設備-放電等離子燒結系統(tǒng)（SPS）隨著高新技術產業(yè)的發(fā)展，放電等離子燒結系統(tǒng)（SPS）新型材料特別是新型功能材料的種類和需求量不斷增加，材料新的功能呼喚新的制備技術。放電等離子燒結（SparkPlasmaSintering，簡稱SPS）是制備功能材料的一種全新技術，它具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點，可用來制備金屬材料、陶瓷材料、復合材料，也可用來制備納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。國內外SPS的發(fā)展與應用狀況SPS技術是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結，因此在有的文獻

2、上也被稱為等離子活化燒結或等離子輔助燒結（plasmaactivatedsintering-PAS或plasma-assistedsintering-PAS）[1,2]。早在1930年，美國科學家就提出了脈沖電流燒結原理，但是直到1965年，脈沖電流燒結技術才在美、日等國得到應用。日本獲得了SPS技術的專利，但當時未能解決該技術存在的生產效率低等問題，因此SPS技術沒有得到推廣應用。1988年日本研制出第一臺工業(yè)型SPS裝置，并在新材料研究領域內推廣使用。1990年以后，日本推出了可用于工業(yè)生產的SPS第三代產品，具有10～10

3、0t的燒結壓力和脈沖電流5000～8000A。最近又研制出壓力達500t，脈沖電流為25000A的大型SPS裝置。由于SPS技術具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點，近幾年國外許多大學和科研機構都相繼配備了SPS燒結系統(tǒng)，并利用SPS進行新材料的研究和開發(fā)[3]。1998年瑞典購進SPS燒結系統(tǒng)，對碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料進行了較多的研究工作[4]。國內近三年也開展了用SPS技術制備新材料的研究工作[1,3]，引進了數臺SPS燒結系統(tǒng)，主要用來燒結納米材料和陶瓷材料[5～8]。SPS作為一種材料制備的全新技術，已引起了國內外的廣泛

4、重視。SPS的燒結原理3.1等離子體和等離子加工技術[9，10]SPS是利用放電等離子體進行燒結的。等離子體是物質在高溫或特定激勵下的一種物質狀態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體，由大量正負帶電粒子和中性粒子組成，并表現出集體行為的一種準中性氣體。等離子體是解離的高溫導電氣體，可提供反應活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000～10999℃，其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài)，而且等離子氣體內離子化程度很高，這些性質使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術。等離子體加工技術已得到較多的應用，例如等

5、離子體CVD、低溫等離子體PBD以及等離子體和離子束刻蝕等。目前等離子體多用于氧化物涂層、等離子刻蝕方面，在制備高純碳化物和氮化物粉體上也有一定應用。而等離子體的另一個很有潛力的應用領域是在陶瓷材料的燒結方面[1]。產成等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵等。放電產生的等離子體包括直流放電、射頻放電和微波放電等離子體。SPS利用的是直流放電等離子體。SPS裝置和燒結基本原理SPS裝置主要包括以下幾個部分：軸向壓力裝置；水冷沖頭電極；真空腔體；氣氛控制系統(tǒng)（真空、氬氣）；直流脈沖及冷卻水、位移測量、溫度測量、和安全等控制單元。SP

6、S的基本結構如圖1所示。SPS與熱壓（HP）有相似之處，但加熱方式完全不同，它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用[11]。SPS燒結時脈沖電流通過粉末顆粒如圖2所示。在SPS燒結過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體，使燒結體內部各個顆粒均勻的自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應合成法（SHS）和微波燒結法類似，SPS是有效利用粉末內部的自身發(fā)熱作用而進行燒結的。SPS燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加

7、熱和加壓綜合作用的結果。除加熱和加壓這兩個促進燒結的因素外，在SPS技術中，顆粒間的有效放電可產生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質（如去處表面氧化物等）和吸附的氣體。電場的作用是加快擴散過程[1，9，12]。SPS的工藝優(yōu)勢SPS的工藝優(yōu)勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的材料，可以燒結梯度材料以及復雜工件[3，11]。與HP和HIP相比，SPS裝置操作簡單，不需要專門的熟練技

8、術。文獻[11]報道，生產一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術的燒結溫度可降低100～200℃[13]。SPS在材料