放电等离子体烧结技术

1、放电等离子体烧结技术目录1 SPS1 SPS合成技术的发展合成技术的发展 2 2 等离子体烧结技术原理等离子体烧结技术原理3 3 等离子体放电烧结的工艺等离子体放电烧结的工艺 4 4 等离子体放电烧结在应用举例等离子体放电烧结在应用举例n19301930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但是直到原理，但是直到19651965年，脉冲电流烧结技术才在美、年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了日等国得到应用。日本获得了SPSSPS技术的专利，但当技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此时未能解决该技术存在的

2、生产效率低等问题，因此SPSSPS技术没有得到推广应用。技术没有得到推广应用。 nSPS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。n1988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，并在新材装置，并在新材料研究领域内推广应用。料研究领域内推广应用。n1990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第三第三代产品，具有代产品，具有10100t的烧结压力和的烧结压力和50008000A脉冲脉冲电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。n1996年，

3、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，并每研讨会，并每年召开一次。年召开一次。 n由于由于SPSSPS技术具有快速、低温、高效率等优点，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近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPSSPS烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用能材料的制备，并利用SPSSPS进行新材料的开发和进行新材料的开发和研究。研究。 9.2 SPS合成技术原理合成技术原理等离子体烧结技术的概念等离子体烧结技术的概念等离子体等离子体 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，

4、等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是是除固、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。所谓等离子体就是指所谓等离子体就是指电离程度较高、电离电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电电荷相反、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子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。合体。 等离子体烧结技术等离子体烧结技术(SPS)(SPS) 放 电 等 离 子 烧 结 （放 电 等 离 子 烧 结 （ S p a r k P l a s m a S p a r k P l a s m a SinteringSintering）简称）简称SPSS

5、PS，是近年来发展起来的一种，是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。新型的快速烧结技术。 该技术是该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结行加热烧结，因此有时也被称为，因此有时也被称为等离子活化烧结等离子活化烧结(Plasma Activated Sinteriny,PAS)(Plasma Activated Sinteriny,PAS)或等或等离子体离子体辅助烧结辅助烧结（Plasma Assister Sinteriny,PASPlasma Assister Sinteriny,PAS）。）。 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

6、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，直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通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。等离子体烧结技术的原理等离子体烧结技术的原理 SPS SPS烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，

7、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。其烧结的中间过程还有待于进一步研究。SPSSPS的制的制造商造商SumitomoSumitomo公司的公司的M.TokitaM.Tokita最早提出放电等离最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：子烧结的观点，他认为：粉末颗粒微区还存在电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子撞放电，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，

8、电能贮存在颗粒团的介电层到净化和活化作用，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。中，介电层发生间歇式快速放电。 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n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 。第一第一，由于脉冲放电产生的

9、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，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，都都大大促进了粉末颗粒原子的扩散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，其扩散系

10、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，发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化使粉末的烧结能够均匀化。使脉冲。使脉冲集中在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。n SPS SPS过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至达几千度至1 1万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在颗

11、粒接触点形成颈部，由于热量立发和熔化，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部位。部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位。n 气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发的蒸发- -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。 等离子体烧结技术的工艺流程等离子体烧结技术的工艺流程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

12、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123456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 放电等离子烧结优点放电等离子烧结优点 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

13、提高材料的性能改进陶瓷显微结构和提高材料的性能 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、热压热压、电阻加热电阻加热为为一体，一体，升温速度快升温速度快、烧结时间短烧结时间短、烧结温度低烧结温度低、晶粒均晶粒均匀匀、有利于控制烧结体的、有利于控制烧结体的细微结构细微结构、获得材料的、获得材料的致密度致密度高高，并且有着，并且有着操作简单操作简单、再现性高再现性高、安全可靠安全可靠、节省空节省空间间、节省能源节省能源及及成本低成本低等优点。等优点。等离子体烧结技术的适用范围等离子体烧结技术的适用范围 由于其独特的烧结机理，由于其独特的烧结机理，SPSSPS技术具有升温速度快、烧技术具

14、有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点，结温度低、烧结时间短、节能环保等特点，SPSSPS已广泛已广泛应用于应用于纳米材料纳米材料、梯度功能材料梯度功能材料、金属材料金属材料、磁性材料磁性材料、复合材料复合材料、陶瓷等材料陶瓷等材料的制备。的制备。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。利用密的要求。利用SPSSPS技术，因其加热迅速，合成时技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。间短，可明显抑制晶粒粗化。利用利用SPSS

15、PS技术，因其技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。 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的反应历程，避免一些不必要的反应发生，这就，这就可能使粉末中的缺陷和亚结构在烧结后的块体材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，在更广泛的意义上说，这一点有料中得以保留，在更广泛的意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特别有利于制备纳米材料。利于合成介稳材料，特别有利于制备纳米材料。 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、)是一种组成在某个方向上是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料梯度分布的复合材料，各层的烧结温度不同，利用，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用CVD ,PVDCVD ,PVD等方等方法制备梯度材料，成本很高，也很难实现工业化生法制备梯度材料，成本很高，也很难实现工业化生产。通过产。通过SPSSPS技术可以很好地克服这一难点。技术可以很好地克服这一难点。 SPSSPS可以制造陶瓷可以制造陶瓷/ /金属、聚合物金属、聚合物/ /金属以及其金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度

17、等材料。梯度层可到隙度梯度等材料。梯度层可到1010多层，实现烧结温多层，实现烧结温度的梯度分布。度的梯度分布。 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、贮氢材料、形状记忆材材料、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。料、固体电池材料、光学材料等。 金属间化合物金属间化合物 金属间

18、化合物具有常温脆性和高熔点，因此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、感应熔化等）制备金属间化花熔化、电阻熔化、感应熔化等）制备金属间化合物往往需要高能量、真空系统，而且需要进行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）。对其二次加工（锻造）。利用利用SPSSPS技术准备金属间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和化合物，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、快速烧结表面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以，所以SPSSPS技术为制备

19、金属间化合物的一种有效方法。目前，技术为制备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用利用SPSSPS技术已制备的金属间化合物体系有：技术已制备的金属间化合物体系有：Ti-Ti-AlAl体系、体系、Mo-SiMo-Si体系、体系、Ni-AlNi-Al体系等。体系等。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热过程在烧结时所必需的传热过程在SPSSPS过程中可以忽略不过程中可以忽略不计。因此计。因此烧结时间可以大为缩短，烧结温度也明烧结时间可以大为缩短，烧结温度也明显降低显降低。对于制备