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放电等离子烧结作为新型粉末冶金烧结技术被用作制备多种新型材料

发布时间：2016/1/5 0:08:24

      放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。

在SPS烧结过程中，脉冲电流由压头流入，流出的电流分成几个流向；经过石墨模具的电流产生大量的热，用于加热粉料；经过烧结体的电流，由于烧结初期颗粒之间存在间隙，相邻颗粒之间将产生火花放电，一些气体分子被电离，产生的正离子和电子分别向阴极和阳极运动，在颗粒之间放电形成等离子体；随着等离子体密度的不断增大，高速反向运动的粒子流对颗粒表面产生较大冲击力，不仅可吹散吸附的气体或破碎的氧化膜，而且能净化和活化颗粒表面，有利于粉末的烧结；粉末颗粒在脉冲电场作用下未接触部位产生放电热，接触部位产生焦耳热，瞬间形成的高温场使颗粒表面发生局部融化；在加压的情况下，融化的颗粒相结合，热量的局部扩散使结合部位粘接在一起，形成烧结颈。

传统的热压烧结主要由通电产生的焦耳热和加压使粉末颗粒产生塑性变形并进行致密化烧结，SPS除上述作用外，还利用在粉末颗粒间放电产生的等离子体使其自热而进行烧结。SPS技术融等离子活化与热压为一体，与传统的热压、热等静压技术相比，具有烧结快速、烧结温度低、无需粉末预成形、可直接烧成致密体等优点，是一种快速、节能、环保的材料制备加工新技术，可以有效地解决传统烧结方法中致密度低和晶粒尺寸大的问题。

由于SPS技术具有上述优点，故可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，特别是可用来制备常规工艺难以制备的纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。例如，功能梯度材料的成分是梯度变化的，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；利用SPS在石磨模具中产生的梯度温度场，只需要几分钟就可以烧结好成分配比不同的梯度材料。目前SPS成功制备的梯度材料有：不锈钢/ZrO2；Ni/ZrO2；Al/高聚物等梯度材料。

致密纳米材料的制备越来越受到重视。利用传统的热压烧结和热等静压烧结等方法来制备纳米材料时，很难保证能同时达到纳米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用SPS技术，由于加热速度快，烧结时间短，可显著抑制晶粒粗化。例如：用平均粒度为5μm的TiN粉经SPS烧结（1963K，196～382MPa，烧结5min），可得到平均晶粒65nm的TiN密实体。用普通粉末冶金法制备大块非晶材料目前还难以实现，SPS作为新一代烧结技术有望在这方面取得进展，利用SPS烧结由机械合金化制取的非晶Al基粉末已经得到了块状（10mm × 2mm）非晶试样。