一篇文章完全搞懂放電等離子燒結
發表時間：2023-09-22
放電等離子燒結爐
放電等離子燒結工藝
放電等離子燒結（SPS）技術是一種粉末燒結技術，上世紀 90 年代日本住友石炭礦業公司，首次實現了放電等離子燒結 (Spark Plasma Sintering, SPS)技術的商業化。該方法是加熱方式通過流經石墨模具的高強度脈沖電流進行加熱，可進行快速的升降溫。與傳統的粉末冶金技術相比，SPS燒結過程中不需要添加有機粘合劑，有助于避免因脫脂產生的問題； SPS 能夠在更低的溫度實現材料的快速密實化，并可通過有效的熱梯度來減少材料內殘余應力。
放電等離子燒結（SPS）技術是一種粉末燒結技術，上世紀 90 年代日本住友石炭礦業公司，首次實現了放電等離子燒結 (Spark Plasma Sintering, SPS)技術的商業化。該方法是加熱方式通過流經石墨模具的高強度脈沖電流進行加熱，可進行快速的升降溫。與傳統的粉末冶金技術相比，SPS燒結過程中不需要添加有機粘合劑，有助于避免因脫脂產生的問題； SPS 能夠在更低的溫度實現材料的快速密實化，并可通過有效的熱梯度來減少材料內殘余應力。
放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）是一種先進的粉末冶金技術，通過使用高能脈沖電流來驅動材料的燒結和致密化過程。這種技術適用于各種不同類型的材料，包括金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及復合材料等。
放電等離子燒結的基本原理是，在脈沖電流的作用下，粉末顆粒會瞬時加熱到高溫狀態，同時產生等離子體，這些等離子體會在粉末顆粒間快速傳遞，使得整個粉末坯體均勻地加熱。由于粉末顆粒的快速加熱和等離子體的存在，材料的致密化過程可以迅速完成，同時保持低溫燒結，避免了晶粒的過度長大。
放電等離子燒結具有許多優點。首先，它可以在低溫下實現快速燒結，避免了材料在高溫下的晶粒長大和相變，保持了材料的細晶結構和優良性能。其次，該技術可以處理各種不同類型的材料，包括一些難以通過傳統燒結方法處理的材料，如納米材料、非均質材料和復合材料等。此外，放電等離子燒結的工藝參數（如溫度、壓力和時間）可以精確控制，因此可以精確控制材料的結構和性能。
放電等離子燒結的工藝流程包括以下幾個步驟：
1. 粉末的制備：首先需要制備所需材料的粉末，可以通過機械合金化、化學合成等方法制備。
2. 粉末混合：如果需要處理多種材料的粉末，可以將它們進行混合，以便在燒結過程中形成復合材料。
3. 粉末成型：將混合后的粉末放入模具中，施加一定的壓力使其成型。
4. 燒結：將成型后的樣品放入放電等離子燒結裝置中，通過脈沖電流進行燒結。
5. 后處理：燒結后的樣品需要進行適當的后處理，如切割、研磨等，以獲得所需的尺寸和形狀。
放電等離子燒結工藝優勢
放電等離子燒結工藝優勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態，可以得到高致密度的材料，可以燒結梯度材料以及復雜工件。與HP和HIP相比，SPS裝置操作簡單，不需要專門的熟練技術。文獻報道，生產一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術的燒結溫度可降低100～200℃。
放電等離子燒結工藝優勢
放電等離子燒結工藝優勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態，可以得到高致密度的材料，可以燒結梯度材料以及復雜工件。與HP和HIP相比，SPS裝置操作簡單，不需要專門的熟練技術。文獻報道，生產一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術的燒結溫度可降低100～200℃。
總的來說，放電等離子燒結是一種非常先進的粉末冶金技術，適用于各種不同類型的材料，可以在低溫下實現快速燒結，精確控制材料的結構和性能。它已經成為材料科學和工程領域中的重要工具，為新型材料的開發和制備提供了新的可能性。
放電等離子燒結爐
放電等離子燒結爐（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）是一種專門用于放電等離子燒結的設備。在放電等離子燒結爐中，通過使用高能脈沖電流來驅動材料的燒結和致密化過程。這種技術的優點包括在低溫下實現快速燒結，避免材料在高溫下的晶粒長大和相變，保持了材料的細晶結構和優良性能。同時，放電等離子燒結的工藝參數，如溫度、壓力和時間可以精確控制，因此可以精確控制材料的結構和性能。
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）；直流脈沖及冷卻水、位移測量、溫度測量、和安全等控制單元。電源提供高能脈沖電流，模具用于裝載粉末樣品，冷卻系統確保設備的正常運行并控制溫度，壓力控制系統則對樣品施加適當的壓力以促進燒結過程。
放電等離子燒結爐的優點包括其適用于各種不同類型的材料，如金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及復合材料等。同時，由于其低溫、快速、節能、環保的特點，放電等離子燒結爐已成為材料科學和工程領域中的重要工具，為新型材料的開發和制備提供了新的可能性。
放電等離子燒結應用場景
放電等離子燒結（SPS）應用場景主要集中在材料科學與工程領域。
放電等離子燒結技術因其燒結速度快、燒結效率高，可以實現快速成型工藝，被廣泛應用于各種材料的制備。如陶瓷材料，SPS可用于制備各種陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等。通過該技術，可以實現陶瓷材料的高密度和均勻微觀結構，進而提高其力學性能和耐磨性。
除此之外，SPS還可以用于制備金屬粉末材料。例如，鎢、鉬、鈦等金屬粉末材料可以通過SPS在高溫和高壓條件下燒結獲得，這有助于提高材料的強度和韌性。
同時，SPS也適用于復合材料的制備。通過調節燒結參數和材料配比，可以獲得具有特定性能和結構的復合材料，如陶瓷基復合材料、金屬基復合材料等。
總之，放電等離子燒結技術在材料科學與工程領域中有著廣泛的應用，可以用于制備各種高性能的材料。
