一篇文章完全搞懂放电等离子烧结
发表时间：2023-09-22
放电等离子烧结炉
放电等离子烧结工艺
放电等离子烧结（SPS）技术是一种粉末烧结技术，上世纪 90 年代日本住友石炭矿业公司，首次实现了放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering, SPS)技术的商业化。该方法是加热方式通过流经石墨模具的高强度脉冲电流进行加热，可进行快速的升降温。与传统的粉末冶金技术相比，SPS烧结过程中不需要添加有机粘合剂，有助于避免因脱脂产生的问题； SPS 能够在更低的温度实现材料的快速密实化，并可通过有效的热梯度来减少材料内残余应力。
放电等离子烧结（SPS）技术是一种粉末烧结技术，上世纪 90 年代日本住友石炭矿业公司，首次实现了放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering, SPS)技术的商业化。该方法是加热方式通过流经石墨模具的高强度脉冲电流进行加热，可进行快速的升降温。与传统的粉末冶金技术相比，SPS烧结过程中不需要添加有机粘合剂，有助于避免因脱脂产生的问题； SPS 能够在更低的温度实现材料的快速密实化，并可通过有效的热梯度来减少材料内残余应力。
放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是一种先进的粉末冶金技术，通过使用高能脉冲电流来驱动材料的烧结和致密化过程。这种技术适用于各种不同类型的材料，包括金属、陶瓷、金属陶瓷以及复合材料等。
放电等离子烧结的基本原理是，在脉冲电流的作用下，粉末颗粒会瞬时加热到高温状态，同时产生等离子体，这些等离子体会在粉末颗粒间快速传递，使得整个粉末坯体均匀地加热。由于粉末颗粒的快速加热和等离子体的存在，材料的致密化过程可以迅速完成，同时保持低温烧结，避免了晶粒的过度长大。
放电等离子烧结具有许多优点。首先，它可以在低温下实现快速烧结，避免了材料在高温下的晶粒长大和相变，保持了材料的细晶结构和优良性能。其次，该技术可以处理各种不同类型的材料，包括一些难以通过传统烧结方法处理的材料，如纳米材料、非均质材料和复合材料等。此外，放电等离子烧结的工艺参数（如温度、压力和时间）可以精确控制，因此可以精确控制材料的结构和性能。
放电等离子烧结的工艺流程包括以下几个步骤：
1. 粉末的制备：首先需要制备所需材料的粉末，可以通过机械合金化、化学合成等方法制备。
2. 粉末混合：如果需要处理多种材料的粉末，可以将它们进行混合，以便在烧结过程中形成复合材料。
3. 粉末成型：将混合后的粉末放入模具中，施加一定的压力使其成型。
4. 烧结：将成型后的样品放入放电等离子烧结装置中，通过脉冲电流进行烧结。
5. 后处理：烧结后的样品需要进行适当的后处理，如切割、研磨等，以获得所需的尺寸和形状。
放电等离子烧结工艺优势
放电等离子烧结工艺优势十分明显：加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件。与HP和HIP相比，SPS装置操作简单，不需要专门的熟练技术。文献报道，生产一块直径100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不锈钢梯度材料（FGM）用的总时间是58min，其中升温时间28min、保温时间5min和冷却时间25min。与HP相比，SPS技术的烧结温度可降低100～200℃。
放电等离子烧结工艺优势
放电等离子烧结工艺优势十分明显：加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件。与HP和HIP相比，SPS装置操作简单，不需要专门的熟练技术。文献报道，生产一块直径100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不锈钢梯度材料（FGM）用的总时间是58min，其中升温时间28min、保温时间5min和冷却时间25min。与HP相比，SPS技术的烧结温度可降低100～200℃。
总的来说，放电等离子烧结是一种非常先进的粉末冶金技术，适用于各种不同类型的材料，可以在低温下实现快速烧结，精确控制材料的结构和性能。它已经成为材料科学和工程领域中的重要工具，为新型材料的开发和制备提供了新的可能性。
放电等离子烧结炉
放电等离子烧结炉（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是一种专门用于放电等离子烧结的设备。在放电等离子烧结炉中，通过使用高能脉冲电流来驱动材料的烧结和致密化过程。这种技术的优点包括在低温下实现快速烧结，避免材料在高温下的晶粒长大和相变，保持了材料的细晶结构和优良性能。同时，放电等离子烧结的工艺参数，如温度、压力和时间可以精确控制，因此可以精确控制材料的结构和性能。
SPS装置主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统（真空、氩气）；直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量、和安全等控制单元。电源提供高能脉冲电流，模具用于装载粉末样品，冷却系统确保设备的正常运行并控制温度，压力控制系统则对样品施加适当的压力以促进烧结过程。
放电等离子烧结炉的优点包括其适用于各种不同类型的材料，如金属、陶瓷、金属陶瓷以及复合材料等。同时，由于其低温、快速、节能、环保的特点，放电等离子烧结炉已成为材料科学和工程领域中的重要工具，为新型材料的开发和制备提供了新的可能性。
放电等离子烧结应用场景
放电等离子烧结（SPS）应用场景主要集中在材料科学与工程领域。
放电等离子烧结技术因其烧结速度快、烧结效率高，可以实现快速成型工艺，被广泛应用于各种材料的制备。如陶瓷材料，SPS可用于制备各种陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、碳化硅等。通过该技术，可以实现陶瓷材料的高密度和均匀微观结构，进而提高其力学性能和耐磨性。
除此之外，SPS还可以用于制备金属粉末材料。例如，钨、钼、钛等金属粉末材料可以通过SPS在高温和高压条件下烧结获得，这有助于提高材料的强度和韧性。
同时，SPS也适用于复合材料的制备。通过调节烧结参数和材料配比，可以获得具有特定性能和结构的复合材料，如陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。
总之，放电等离子烧结技术在材料科学与工程领域中有着广泛的应用，可以用于制备各种高性能的材料。
