SPS放電等離子燒結系統

　　SPS放電等離子燒結系統
 

　　放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering)即SPS，是將金屬、陶瓷等粉末裝入模具內，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于燒結粉末，經放電活化、熱塑變形和冷卻而完成，是制取高性能材料的一種粉末冶金燒結技術。
 

　　放電等離子燒結具有在加壓過程中燒結的特點，脈沖電流產生的等離子體及燒結過程中的加壓有利于降低粉末的燒結溫度。具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控、節能環保等鮮明特點，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、非晶體塊材料、梯度材料等。
 

　　一、SPS的燒結原理
 

　　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點激勵下的一種物質狀態，是除固態、液態和氣態以外，物質的第四狀態。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。
 

　　產生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(真空、氬氣)；直流脈沖電源及冷卻水、位移測量、溫度測量和安全等控制單元。
 

　　SPS與熱壓(HP)有相似之處，但加熱方式不同，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。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，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地自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。SPS是有效利用粉末內部的自身發熱作用而進行燒結的。這種放電直接加熱法，熱效率*，放電點的彌散分布能夠實現均勻加熱，因而容易制備出均質、致密、高質量的燒結體。SPS燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加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(如去除表層氧化物等)和吸附的氣場。電場的作用是加快擴散過程。
 

　　納米材料
 

　　傳統的熱壓燒結、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*致密的要求。利用SPS技術，因其加熱迅速，合成時間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用SPS技術，因其加熱迅速，合成時間短，可明顯抑制晶粒粗化。利用SPS能快速降溫這一特點來控制燒結過程的反應歷程，避免一些不必要的反應發生，這就可能使粉末中的缺陷和亞結構在燒結后的塊體材料中得以保留，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(FGM)是一種組成在某個方向上梯度分布的復合材料，各層的燒結溫度不同，利用傳統的燒結方法難以一次燒成。利用CVD ,PVD等方法制備梯度材料，成本很高，也很難實現工業化生產。通過SPS技術可以很好地克服這一難點。
 

　　SPS可以制造陶瓷/金屬、聚合物/金屬以及其他耐熱梯度、耐磨梯度、硬度梯度、導電梯度、孔隙度梯度等材料。梯度層可到10多層，實現燒結溫度的梯度分布。
 

　　高致密度、細晶粒陶瓷和金屬陶瓷
 

　　在SPS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熱源。用通常方法燒結時所必需的傳熱過程在SPS過程中可以忽略不計。因此燒結時間可以大為縮短，燒結溫度也明顯降低。對于制備高密度、細晶粒陶瓷，SPS是一種很有優勢的燒結手段。