等离子体烧结合成技术介绍PPT

1、 2 spssps合成技术的发展历史合成技术的发展历史 等离子体烧结技术原理等离子体烧结技术原理 等离子体放电烧结的工艺等离子体放电烧结的工艺 应用举例应用举例 1 2 3 4 3 在粉末颗粒间直接在粉末颗粒间直接 通入脉冲电流进行通入脉冲电流进行 加热烧结加热烧结 等离子活化烧结等离子活化烧结 (plasma activate d sinteriny,pas) 等离子体辅助等离子体辅助 烧结（烧结（plasma assister sinteri ny,pas） 放电等离子烧放电等离子烧 结（结（sps）技术）技术 9.1 sps合成技术的发展历史合成技术的发展历史 4 最初实现放电产生最初实

2、现放电产生“等等 离子体离子体”的人是以发现的人是以发现 电磁感应法则而知名的电磁感应法则而知名的 法拉第法拉第(m.farady)，他，他 最早发现在低压气体中最早发现在低压气体中 放电可以分别观测到相放电可以分别观测到相 当大的发光区域和不发当大的发光区域和不发 光的暗区。光的暗区。 法拉第法拉第 5 i.langmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳 光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多 相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对应相等，是电中性的，电子、离子基团作与其

3、能量状态对应 的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态 为为“等离子体等离子体”。 等离子体特效图等离子体特效图 6 1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但 是直到是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。 日本获得了日本获得了sps技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生 产效率低等问题，因此产效率低等问题，因此sps技术没有得到推广应用。技术没有得到推广应用。 s

4、ps技术的推广应用是从上个世纪技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。年代末期开始的。 1988年日本研制出第一台工业型年日本研制出第一台工业型sps装置，并在新材料研究领装置，并在新材料研究领 域内推广应用。域内推广应用。 1990年以后，日本推出了可用于工业生产的年以后，日本推出了可用于工业生产的sps第三代产品，第三代产品， 具有具有10100t的烧结压力和的烧结压力和50008000a脉冲电流，其优良的烧脉冲电流，其优良的烧 结特性，大大促进了新材料的开发。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年，日本组织了产学官联合的sps研讨会，并每年召开一研讨

5、会，并每年召开一 次。次。 7 由于由于spssps技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国 外许多大学和科研机构都相继配备了外许多大学和科研机构都相继配备了spssps烧结系统，应用烧结系统，应用 金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用spssps进进 行新材料的开发和研究。行新材料的开发和研究。 1998年瑞典购进年瑞典购进sps烧结系统，对碳化物、氧化物、生物烧结系统，对碳化物、氧化物、生物 陶瓷登材料进行了较多的研究工作。陶瓷登材料进行了较多的研究工作。 目前全世界共有目前全世界共有sps装置

6、装置100多台。如日本东北大学、大阪多台。如日本东北大学、大阪 大学、美国加利福尼亚大学、瑞典斯德哥尔摩大学、新加大学、美国加利福尼亚大学、瑞典斯德哥尔摩大学、新加 坡南洋理工大学等大学及科研机构相继购置了坡南洋理工大学等大学及科研机构相继购置了sps系统。系统。 8 我国近几年也开展了利用我国近几年也开展了利用spssps技术制备新材料的研究工作，引技术制备新材料的研究工作，引 进了数台进了数台spssps烧结系统，主要用于纳米材料和陶瓷材料的烧结烧结系统，主要用于纳米材料和陶瓷材料的烧结 合成。合成。 最早在最早在19791979年，我国钢铁研究总院自主研发制造了国内第一年，我国钢铁研究总

7、院自主研发制造了国内第一 台电火花烧结机，用以批量生产金属陶瓷模具，产生了良好台电火花烧结机，用以批量生产金属陶瓷模具，产生了良好 的社会经济效益。的社会经济效益。 20002000年年6 6月武汉理工大学购置了国内首台月武汉理工大学购置了国内首台spssps装置（日本住友石装置（日本住友石 炭矿业株式会社生产，炭矿业株式会社生产，sps-1050sps-1050）。）。 随后上海硅酸盐研究所、清华大学、北京工业大学和武汉大学随后上海硅酸盐研究所、清华大学、北京工业大学和武汉大学 等高校及科研机构也相继引进了等高校及科研机构也相继引进了spssps装置，用来进行相关的科装置，用来进行相关的科

8、学研究。学研究。 spssps作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重 视。视。 9 9.2 sps合成技术原理合成技术原理 9.2.1 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是 除固、液、气三态外物质的除固、液、气三态外物质的第四种状态第四种状态。所谓。所谓 等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、 数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子 或自由基等粒子组成的集合体。或自由基等粒子组成的集合体。 10 p处于等离

9、子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性，处于等离子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性， 在一定的条件下可获得较完全的化学反应。在一定的条件下可获得较完全的化学反应。 p之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是 因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质 上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。 n 首先首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又 在整体上保持电中性

10、。在整体上保持电中性。 n 其二其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在静电磁力，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在静电磁力， 而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力，并由此导致带电粒而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力，并由此导致带电粒 子群的种种特有的集体运动。子群的种种特有的集体运动。 n 第三第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会收，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会收 到电磁场影响和约束。到电磁场影响和约束。 11 需要说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只要当需要说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只要当 电离度大到一定程度，使带电粒子密

11、度达到所产生的空间电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间 电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质 变，这样的变，这样的“电离气体电离气体”才算转变成等离子体。才算转变成等离子体。 否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各 部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和 特征，仍属于气态。特征，仍属于气态。 12 等离子体一般分两类等离子体一般分两类 第一类第一类是高温等离子体或称热等离子体（亦称高压平衡等离子

12、体）是高温等离子体或称热等离子体（亦称高压平衡等离子体） 第二类第二类是低温等离子体（亦称冷等离子体）是低温等离子体（亦称冷等离子体） 此类等离子体中，粒子的此类等离子体中，粒子的 激发或是电离主要是通过激发或是电离主要是通过 碰撞实现，当压力大于碰撞实现，当压力大于 1.33104pa时，由于气体时，由于气体 密度较大，电子撞击气体密度较大，电子撞击气体 分子，电子的能量被气体分子，电子的能量被气体 吸收，电子温度和气体温吸收，电子温度和气体温 度几乎相等，即处于热力度几乎相等，即处于热力 学平衡状态。学平衡状态。 在低压下产生，压力小于在低压下产生，压力小于1.33104pa 时，气体被撞

13、击的几率减少，气体吸时，气体被撞击的几率减少，气体吸 收电子的能量减少，造成电子温度和收电子的能量减少，造成电子温度和 气体温度分 离 ，电子温度比较高气体温度分 离 ，电子温度比较高 （104k）而气体的温度相对比较低）而气体的温度相对比较低 （102103k），即电子与气体处于非），即电子与气体处于非 平衡状态。气体压力越小，电子和气平衡状态。气体压力越小，电子和气 体的温差就越大。体的温差就越大。 13 等离子体等离子体 放射线放射线 放射线同位素放射线同位素 x x射线射线 粒子加速器粒子加速器 反应堆反应堆 场致电离场致电离 冲击波冲击波 燃烧燃烧 放电放电 直流放电直流放电 低频放

14、电低频放电 高频放电高频放电 微波放电微波放电 感应放电感应放电 真空紫外光真空紫外光 激光激光 宇宙天体宇宙天体 上层大气上层大气 辉光下游的利用辉光下游的利用 图图9.1 9.1 等离子体的主要产生途径等离子体的主要产生途径 14 该技术是通过将特殊电源控制装置发生的该技术是通过将特殊电源控制装置发生的on-on- offoff直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通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

15、花放电现象（瞬间产生高温等离子体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子 体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现体）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。致密化的快速烧结技术。 15 放电等离子烧结由于强脉冲电流加在粉放电等离子烧结由于强脉冲电流加在粉 末颗粒间，因此可产生诸多有利于快速烧结的末颗粒间，因此可产生诸多有利于快速烧结的 效应。其相比常规烧结技术有以下优点：效应。其相比常规烧结技术有以下优点： u 烧结速度快；烧结速度快； u 改进陶瓷显微结构和提高材料的性能改进陶瓷显微结构和提高材料的性能 16 放电等离子烧结融放电等离子烧结融等离子活化等离子活化、热

16、压热压、电阻电阻 加热加热为一体，为一体，升温速度快升温速度快、烧结时间短烧结时间短、烧结烧结 温度低温度低、晶粒均匀晶粒均匀、有利于控制烧结体的、有利于控制烧结体的细微细微 结构结构、获得材料的、获得材料的致密度高致密度高，并且有着，并且有着操作简操作简 单单、再现性高再现性高、安全可靠安全可靠、节省空间节省空间、节省能节省能 源源及及成本低成本低等优点。等优点。 17 9.2.2 sps sps烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧结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。的中间过程还有待于进一步研究。spssps的制造商的制造商sumitomosu

17、mitomo 公司的公司的m.tokitam.tokita最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：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。生间歇式快速放电。 18 图图 9.2

18、 放放 电电 等等 离离 子子 体体 形形 成成 的的 机机 理理 示示 意意 图图 19 目前一般认为目前一般认为：spssps过程除具有热压烧结的焦耳热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，因而产生了一些颗粒间放电产生的自发热作用，因而产生了一些 spssps过程特有的现象过程特有的现象 。 20 关关 开开 现象现象 产生放电等离子产生放电等离子 蒸发、熔化、纯化蒸发、熔化、纯化 产生放电冲击压力产生

19、放电冲击压力 局部应力和喷发局部应力和喷发 产生焦耳热产生焦耳热 局部高温局部高温 电场作用电场作用 高速等离子迁移高速等离子迁移 脉冲电流和电压脉冲电流和电压 热扩散热扩散 热由高温点转移热由高温点转移 效果效果技术优势技术优势 表面活化表面活化低温、短时烧结低温、短时烧结 高速扩散高速扩散 高速材料转移高速材料转移 有效加热有效加热 塑性变形提高塑性变形提高 烧结难烧结材料烧结难烧结材料 （不需催化剂）（不需催化剂） 连接不相溶材料连接不相溶材料 高密度能量供应高密度能量供应 放电点弥散运动放电点弥散运动 晶内快速冷却晶内快速冷却 晶内快速冷却晶内快速冷却 短时烧结短时烧结 短时均匀烧结短

20、时均匀烧结 烧结非晶材料烧结非晶材料 烧结纳米材料烧结纳米材料 低温、短时烧结低温、短时烧结 图图 9.3 9.3 spssps 中中 施施 加加 直直 流流 开开 关关 脉脉 冲冲 电电 流流 的的 作作 用用 21 第一第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场，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；起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化； 第二第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒

21、未接，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，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件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化; ; 第三第三，on- offon- off快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳快速脉冲的加入，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

22、晶粒结合处是集中在晶粒结合处是spssps过程的一个特点。过程的一个特点。 22 sps sps过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千 度至度至1 1万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在万度的局部高温，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。部位。 气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发- -

23、凝固传递凝固传递是是spssps过程的另一个重要特点。过程的另一个重要特点。 23 放电等离子烧结的中间过程和现象十分复杂，许多科放电等离子烧结的中间过程和现象十分复杂，许多科 学家们对学家们对sps的烧结过程建立了模型。的烧结过程建立了模型。u.anselmi- tamburini等对等对sps过程中的电流和温度的分布进行了模过程中的电流和温度的分布进行了模 拟，认为温度的分布和电流的分布紧密相关。拟，认为温度的分布和电流的分布紧密相关。 （a）温度分布 （b）热流分布 图9.4 非导电材料(al2o3)sps烧结时计算的温度分布和热流分布 24 图图9.5 9.5 非导电（非导电（alal

24、2 2o o3 3）和导电（）和导电（cucu） 材料计算的径向温度分布材料计算的径向温度分布 可以看出，非导电粉可以看出，非导电粉 体在径向方向上存在大体在径向方向上存在大 的温度梯度，这必将导的温度梯度，这必将导 致烧结体形成不均匀的致烧结体形成不均匀的 化学组分和微观结构。化学组分和微观结构。 电流的分布和辐射热损电流的分布和辐射热损 失是导致试样和模具外失是导致试样和模具外 表面存在温度梯度的主表面存在温度梯度的主 要原因。要原因。 25 9.2.3 由于其独特的烧结机理，由于其独特的烧结机理，spssps技术具有升温速技术具有升温速 度快、烧结温度低、烧结时间短、节能环保等度快、烧结

25、温度低、烧结时间短、节能环保等 特点，特点，spssps已广泛应用于已广泛应用于纳米材料纳米材料、梯度功能材梯度功能材 料料、金属材料金属材料、磁性材料磁性材料、复合材料复合材料、陶瓷等陶瓷等 材料材料的制备。的制备。 26 纳米材料纳米材料 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。利用难保证晶粒的纳米尺寸，又达到完全致密的要求。利用 spssps技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒 粗化。利用粗化。利用spssps技术，因其加热迅速，合成时

26、间短，可明技术，因其加热迅速，合成时间短，可明 显抑制晶粒粗化。显抑制晶粒粗化。 利用利用spssps能快速降温这一特点来控制烧结过程的反应历能快速降温这一特点来控制烧结过程的反应历 程，避免一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中的缺程，避免一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中的缺 陷和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在更广泛的陷和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在更广泛的 意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特别有利于制备意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特别有利于制备 纳米材料。纳米材料。 27 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)是一种组成在

27、某个方向上梯度分布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。利用以一次烧成。利用cvd ,pvdcvd ,pvd等方法制备梯度材料，成本很高，等方法制备梯度材料，成本很高， 也很难实现工业化生产。通过也很难实现工业化生产。通过spssps技术可以很好地克服这一技术可以很好地克服这一 难点。难点。 sps sps可以制造陶瓷可以制造陶瓷/ /金属、聚合物金属、聚合物/ /金属以及其他耐热梯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。度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯

28、度、孔隙度梯度等材料。 梯度层可到梯度层可到1010多层，实现烧结温度的梯度分布。多层，实现烧结温度的梯度分布。 28 电磁材料电磁材料 采用采用spssps技术还可以制作技术还可以制作sigesige，pbtepbte，bitebite，fesifesi， cosbcosb3 3等体系的热电转化元件，以及广泛用于电子领域的等体系的热电转化元件，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、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。贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。 29 金属间化合物金

29、属间化合物 金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此制备或生金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此制备或生 产需要特殊的过程。利用熔化法（电火花熔化、电阻熔化、产需要特殊的过程。利用熔化法（电火花熔化、电阻熔化、 感应熔化等）制备金属间化合物往往需要高能量、真空系感应熔化等）制备金属间化合物往往需要高能量、真空系 统，而且需要进行对其二次加工（锻造）。利用统，而且需要进行对其二次加工（锻造）。利用spssps技术技术 准备金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用准备金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用 和表面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以和表面活化作用，可实现低温、快速烧结

30、，所以spssps技术技术 为制备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用为制备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用spssps技技 术已制备的金属间化合物体系有：术已制备的金属间化合物体系有：ti-alti-al体系、体系、mo-simo-si体系、体系、 ni-alni-al体系等。体系等。 30 高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷 在在spssps过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的 空隙本身都可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传空隙本身都可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传 热过程在热过程在spssps过程中

31、可以忽略不计。因此烧结时间可以大过程中可以忽略不计。因此烧结时间可以大 为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒 陶瓷，陶瓷，spssps是一种很有优势的烧结手段。是一种很有优势的烧结手段。 31 其他材料其他材料 此外，此外，spssps技术也已成功地应用于金属基复合材料技术也已成功地应用于金属基复合材料 （mmcmmc）、非晶合金、生物材料、超导材料和多孔材料等）、非晶合金、生物材料、超导材料和多孔材料等 各种新材料的制备，并获得了较为优异的性能。同时，各种新材料的制备，并获得了较为优异的性能。同时， spssps在硬质合金的烧结

32、，多层金属粉末的同步连接在硬质合金的烧结，多层金属粉末的同步连接 （bondingbonding）、陶瓷粉末和金属粉末的连接以及固体）、陶瓷粉末和金属粉末的连接以及固体- -粉末粉末 - -固体的连接方面也已有了广泛的应用。固体的连接方面也已有了广泛的应用。 32 9.3 等离子体放电烧结的工艺等离子体放电烧结的工艺 9.3.1 sps sps系统包括一个垂直单向加压装置和加压自动显系统包括一个垂直单向加压装置和加压自动显 示系统以及一个电脑自动控制系统，一个特制的带水冷示系统以及一个电脑自动控制系统，一个特制的带水冷 却的通电装置和支流脉冲烧结电源，一个水冷真空室和却的通电装置和支流脉冲烧结

33、电源，一个水冷真空室和 真空真空/ /空气空气/ /氢气氢气/ /氧气氧气/ /氢气气氛控制系统，各种内锁安氢气气氛控制系统，各种内锁安 全装置和所有这些装置的中央控制操作面板。全装置和所有这些装置的中央控制操作面板。 33 一般等离子体烧结设备主要由三部分组成一般等离子体烧结设备主要由三部分组成 产生单轴向压产生单轴向压 力的力的装置和烧装置和烧 结模结模，压力装，压力装 置可根据烧结置可根据烧结 材料的不同施材料的不同施 加不同的压力；加不同的压力； 脉冲电流发生脉冲电流发生 器器，用来产生，用来产生 等离子体对材等离子体对材 料进行活化处料进行活化处 理理 电阻加热设备电阻加热设备 34

34、 1 2 3 4 5 6 脉 冲 电 流 发 生 器 水冷 真空 室 sps加压装置 sps控制装置 位移测量系统 气氛控制系统 水冷系统 温度测量系统 图9.7 放电等离子烧结系统示意图 1.上电极 2.下电极 3.粉末 4.下压头 5.下电极 6.模具 35 sps sps利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压 烧结方法，通过调节脉冲直流电的大小控制升温烧结方法，通过调节脉冲直流电的大小控制升温 速率和烧结温度。整个烧结过程可在真空环境下速率和烧结温度。整个烧结过程可在真空环境下 进行，也可在保护气氛中进行。烧结过程中，脉进行，也可在保护气氛中进行。烧结过程中

35、，脉 冲电流直接通过上下压头和烧结粉体或石墨模具，冲电流直接通过上下压头和烧结粉体或石墨模具， 因此加热系统的热容很小，升温和传热速度快，因此加热系统的热容很小，升温和传热速度快， 从而使快速升温烧结成为可能。从而使快速升温烧结成为可能。 36 9.3.2 选择适当模具选择适当模具计算所需粉体质量计算所需粉体质量填充模具填充模具 施加压力施加压力放入等离子体烧结放入等离子体烧结静压成型静压成型 电脑调节电脑调节 烧结参数烧结参数 等离子体等离子体 快速烧结快速烧结 试样成品试样成品性能检测与研究性能检测与研究 37 在进行具体的试验操作时，将试样装入石墨模具中，在进行具体的试验操作时，将试样装

36、入石墨模具中， 模具置于上下电极之间，通过油压系统加压，然后对腔体模具置于上下电极之间，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，通过模具的部子体，粉末颗粒表面被活化、发热，同时，通过模具的部 分电流加热模具，使模具开始对试样传热，试样温度升高，分电流加热模具，使模具

37、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，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。直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。 38 9.3.3 烧结气氛烧结气氛 烧结气氛对样品烧结的影响很大（真空烧结情况烧结气氛对样品烧结的影响很大（真空烧结情况 除外），合适的气氛将有助于样品的致密化。除外），合适的气氛将有助于样品的致密化。 39 在在氧气氧气气氛下，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学反应气氛下，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学反应 作用，使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合物，正作用，使晶

38、体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合物，正 离子空位增加，同时使闭口气孔中的氧可直接进入晶格，并和离子空位增加，同时使闭口气孔中的氧可直接进入晶格，并和 氧离子空位一样沿表面进行扩散，扩散和烧结加速。当烧结由氧离子空位一样沿表面进行扩散，扩散和烧结加速。当烧结由 正离子扩散控制时，氧化气氛或氧分压较高并有利于正离子空正离子扩散控制时，氧化气氛或氧分压较高并有利于正离子空 位形成，促进烧结；由负离子扩散控制时，还原气氛或较低的位形成，促进烧结；由负离子扩散控制时，还原气氛或较低的 氧分压将导致氧离子空位产生并促进烧结。氧分压将导致氧离子空位产生并促进烧结。 在在氢气氢气气氛下烧结样品时，由于氢

39、原子半径很小，易于扩气氛下烧结样品时，由于氢原子半径很小，易于扩 散并有利于闭口气孔的消除，氧化铝等类型的材料于氢气气氛散并有利于闭口气孔的消除，氧化铝等类型的材料于氢气气氛 下烧结可得到接近于理论密度的烧结体样品。下烧结可得到接近于理论密度的烧结体样品。 40 烧结温度烧结温度 烧结温度是等离子快速烧结过程中一个关键的参数之一。烧结温度是等离子快速烧结过程中一个关键的参数之一。 烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下的相转变、晶粒烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下的相转变、晶粒 的生长速率、样品的质量要求以及样品的密度要求。一般情的生长速率、样品的质量要求以及样品的密度要求。一般情 况下

40、，随着烧结温度的升高，试样致密度整体呈上升趋势，况下，随着烧结温度的升高，试样致密度整体呈上升趋势， 这说明烧结温度对样品致密度程度有明显的影响，烧结温度这说明烧结温度对样品致密度程度有明显的影响，烧结温度 越高，烧结过程中物质传输速度越快，样品越容易密实。越高，烧结过程中物质传输速度越快，样品越容易密实。 但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，其力学性能就越差。而但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，其力学性能就越差。而 温度太低，样品的致密度就很低，质量达不到要求。温度与晶粒大小温度太低，样品的致密度就很低，质量达不到要求。温度与晶粒大小 之间的矛盾在温度的选择上要求一个合适的参数。之间的

41、矛盾在温度的选择上要求一个合适的参数。 41 等离子烧结时准确测量烧结温度是一个比较困难的问等离子烧结时准确测量烧结温度是一个比较困难的问 题。因为：题。因为： u产生等离子体的微波或高频波严重干扰双金属热电偶，从产生等离子体的微波或高频波严重干扰双金属热电偶，从 而无法用热电偶测量温度。而无法用热电偶测量温度。 u由于等离子体发光和石英管遮挡的干扰，用光学高温测量由于等离子体发光和石英管遮挡的干扰，用光学高温测量 计将引入较大的误差。计将引入较大的误差。 u对于非常高温的烧结体用红外线测温仪，由于模具头两端对于非常高温的烧结体用红外线测温仪，由于模具头两端 受力不均匀，使得测量结果偏离准确值

42、，因而引起实验误受力不均匀，使得测量结果偏离准确值，因而引起实验误 差。差。 42 保温时间保温时间 延长烧结温度下的保温时间，一般都会不同程度地促延长烧结温度下的保温时间，一般都会不同程度地促 进烧结完成，完善样品的显微结构，这对粘性流动机理的进烧结完成，完善样品的显微结构，这对粘性流动机理的 烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理的烧结影响烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理的烧结影响 较小。在烧结过程中，一般保温仅较小。在烧结过程中，一般保温仅1 1分钟时，样品的密度分钟时，样品的密度 就达到理论密度的就达到理论密度的96.5%96.5%以上，随着保温时间的延长，样以上，随着保温时

43、间的延长，样 品的致密度增大，但是变化范围不是很大，说明保温时间品的致密度增大，但是变化范围不是很大，说明保温时间 对样品的致密度虽然有一定的影响，但是作用效果不是很对样品的致密度虽然有一定的影响，但是作用效果不是很 明显。但不合理地延长烧结温度下的保温时间，晶粒在此明显。但不合理地延长烧结温度下的保温时间，晶粒在此 时间内急剧长大，加剧二次重结晶作用，不利于样品的性时间内急剧长大，加剧二次重结晶作用，不利于样品的性 能要求，而时间太短会引起样品的致密化下降，因此需要能要求，而时间太短会引起样品的致密化下降，因此需要 选择合适的保温时间。选择合适的保温时间。 43 升温速率升温速率 时间升温速

44、率的加快，使得样品在很短的时间内达到时间升温速率的加快，使得样品在很短的时间内达到 所要求的温度，晶粒的生长时间会大大减少，这不仅有利所要求的温度，晶粒的生长时间会大大减少，这不仅有利 于抑制晶粒的长大，得到大小均匀的细晶粒陶瓷，还能节于抑制晶粒的长大，得到大小均匀的细晶粒陶瓷，还能节 约时间、节约能源以及提高烧结设备的利用率。但是，由约时间、节约能源以及提高烧结设备的利用率。但是，由 于设备本身的限制，升温速率过快对设备会造成破坏性影于设备本身的限制，升温速率过快对设备会造成破坏性影 响。因此在可允许的范围内尽可能的的加快升温速率。但响。因此在可允许的范围内尽可能的的加快升温速率。但 是，在

45、实测的实验数据中反映到。与烧结温度和保温时间是，在实测的实验数据中反映到。与烧结温度和保温时间 不同，升温速率对样品致密度的影响显示出相反的结果，不同，升温速率对样品致密度的影响显示出相反的结果， 即随着升温速率的增大，样品致密度表现粗化逐渐下降的即随着升温速率的增大，样品致密度表现粗化逐渐下降的 趋势，有学者提出这是因为在烧结温度附近升温速率的提趋势，有学者提出这是因为在烧结温度附近升温速率的提 高相当于缩短了保温时间，因而样品致密度会有所下降。高相当于缩短了保温时间，因而样品致密度会有所下降。 44 n 在实际的高温烧结过程中，升温过程一般分为三个阶在实际的高温烧结过程中，升温过程一般分为

46、三个阶 段，分别为从室温至段，分别为从室温至600左右、左右、600至至900左右、左右、 900至烧结温度：至烧结温度： n 第一阶段是准备阶段，升温速率相对比较缓慢；第一阶段是准备阶段，升温速率相对比较缓慢； n 第二阶段是可控的快速升温阶段，升温速率一般控制在第二阶段是可控的快速升温阶段，升温速率一般控制在 100500(min-1)； n 第三阶段是升温的缓冲阶段，该阶段温度缓慢升至烧结温第三阶段是升温的缓冲阶段，该阶段温度缓慢升至烧结温 度，保温时间一般是度，保温时间一般是17分钟，保温后随炉冷却，冷却速分钟，保温后随炉冷却，冷却速 率可达率可达300min-1。 45 压力压力 压

47、力对烧结的影响主要表现为素坯成型压力和烧结时的压力对烧结的影响主要表现为素坯成型压力和烧结时的 外压力。从烧结和固相反应机理容易理解，压力越大，样外压力。从烧结和固相反应机理容易理解，压力越大，样 品中颗粒堆积就越紧密，相互的接触点和接触面积增大烧品中颗粒堆积就越紧密，相互的接触点和接触面积增大烧 结被加速。这样能使样品得到更好的致密度，并能有效的结被加速。这样能使样品得到更好的致密度，并能有效的 抑制晶粒长大和降低烧结温度。因此选择的压力一般为抑制晶粒长大和降低烧结温度。因此选择的压力一般为 3050mpa（实验允许的最大值）。不过有研究表明，当（实验允许的最大值）。不过有研究表明，当 烧结时外压力为烧结时外压力为30mpa和和50mpa时，样品的致密度相差并时，样品的致密度相差并 不大，这说明致密度随压力增大的现象仅在一定范围内较不大，这说明致密度随压力增大的现象仅在一定范围内较 为明显。为明显。 46 n以上说明以上说明，烧结温度、保温时间、升温速率构，烧结温度、保温时间、升温速率构 成了影响烧结体微观组织的主要因素。其中烧成了影响烧结体微观组织的主要因素。其中烧 结温度和保温时间对烧结体微观组织影响最为结温度和保温时间对烧结体微观组织影响最为 显著，升温速率次之，烧结过程中压力对样品显著，升温速率次之，烧结过程中压