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SPS放電等離子燒結系統(tǒng)

更新更新時間:2022-04-28點擊次數(shù):5082
  SPS放電等離子燒結系統(tǒng)
 
  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(jīng)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(chǎn)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(jié)能環(huán)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(tài),是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外,物質的第四狀態(tài)。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(xiàn)出集體行為的一種準中性氣體。
 
  產(chǎn)生等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵等。放電產(chǎn)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(tǒng)(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(chǎn)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(chǎn)生的放電等離子體,電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體,使燒結體內部各個顆粒均勻地自身產(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)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(fā)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(wěn)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(tǒng)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。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(xiàn)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(fā)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(yōu)勢的燒結手段。
 

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