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放电等离子体烧结(SPS)技术简介
2017月12月13日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:216
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随着高新技术产业的发展,新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加,材料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是制备功能材料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料,也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。

 

1 放电等离子体烧结炉

 

1. 放电等离子烧结技术的定义

1.1 等离子体

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,是除固、液、气三态外物质的第四种状态。所谓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、原子或自由基等粒子组成的集合体。

 

等离子体一般分为两类:

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体),此类等离子体中,粒子的激发或是电离主要是通过碰撞实现,当压力大于1.33×104Pa时,由于气体密度较大,电子撞击气体分子,电子的能量被气体吸收,电子温度和气体温度几乎相等,即处于热力学平衡状态。

 

第二类是低温等离子体(亦称冷等离子体),在低压下产生,压力小于1.33×104Pa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(102~103K),即电子与气体处于非平衡状态。气体压力越小,电子和气体的温差就越大。

 

2 等离子体的主要产生途径

 

1.2 放电等离子体烧结(SPS)

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)简称SPS,是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结,因此有时也被称为等离子活化烧结(Plasma Activated Sintering, PAS)或等离子体辅助烧结(Plasma Assister Sintering, PAS)。该技术是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF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)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。

 

3 放电等离子烧结系统示意图

 

1.3 放电等离子体烧结的优缺点

放电等离子体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效应。其相比常规烧结技术,放电等离子体烧结融等离子活化、热压、电阻加热为一体,升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得材料的致密度高,并且有着操作简单、再现性高、安全可靠、节省空间、节省能源及成本低等优点。

 

但是SPS的基础理论目前尚不完全清楚,需要进行大量实践与理论研究来完善,SPS需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量,以便做尺寸更大的产品;特别需要发展全自动化的SPS生产系统,以满足复杂形状、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要。

 

2. 放电等离子体烧结的原理及工艺

2.1 放电等离子体烧结的原理

SPS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。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita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,在粉末颗粒未接触部位产生自发热。

 

4 放电过程中粉末粒子对的模型

 

目前一般认为,SPS与热压(HP)有相似之处,但加热方式完全不同,它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。在SPS烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波烧结法类似,SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外,在SPS技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去处表面氧化物等)和吸附的气体。

 

5 SPS中施加直流开关脉冲电流的作用

 

2.2 放电等离子体烧结的工艺

在进行具体的SPS实验操作时,将试样装入石墨模具中,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,通过模具的部分电流加热模具,使模具开始对试样传热,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,直至达到烧结温度后收缩结束,致密度达到最大。


6 放电等离子体烧结的工艺流程

 

3. 放电等离子体烧结的应用

由于SPS独特的烧结机理,SPS技术具有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点,SPS技术已广泛应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、磁性材料、复合材料、陶瓷等材料的制备。

 

3.1 纳米材料

传统的热压烧结、热等静压等方法制备纳米材料,很难保证晶粒的纳米尺寸,又达到完全致密的要求。利用SPS技术,因其加热迅速,合成时间短,可明显抑制晶粒粗化。利用SPS技术,因其加热迅速,合成时间短,可明显抑制晶粒粗化。利用SPS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,特别有利于制备纳米材料。

 

3.2 梯度功能材料

梯度功能材料(FGM)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以一次烧成。利用CVD ,PVD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SPS技术可以很好地克服这一难点。

 

SPS可以制造陶瓷/金属、聚合物/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。梯度层可到10多层,实现烧结温度的梯度分布。

 

7 梯度功能材料示意图

 

3.3 电磁材料

采用SPS技术还可以制作SiGe,PbTe,BiTe,FeSi,CoSb3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、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。

 

8 超导材料模型及形状记忆材料展示

 

3.4 金属间化合物

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、真空系统,而且需要进行对其二次加工(锻造)。利用SPS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表面活化作用,可实现低温、快速烧结,所以SPS技术为制备金属间化合物的一种有效方法。目前,利用SPS技术已制备的金属间化合物体系有:Ti-Al体系、Mo-Si体系、Ni-Al体系等。

 

3.5 高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷

SPS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热过程在SPS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、细晶粒陶瓷,SPS是一种很有优势的烧结手段。

 

9 SPS技术烧结的透明陶瓷

 

参考文献

[1] 王庆福, 张彦敏, 国秀花,等. 放电等离子烧结技术的研究现状及进展[J]. 稀有金属与硬质合金, 2014(3):44-47.

[2] 熊焰, 刘冲. 放电等离子烧结技术在陶瓷材料制备中的应用[J]. 现代技术陶瓷, 2016, 37(4):227-240.

[3] 白玲, 葛昌纯, 沈卫平. 放电等离子烧结技术[J]. 粉末冶金技术, 2007, 25(3):217-223.

部分资料来源网络。

 

L-things 整理


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