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1、放电等离子体烧结技术第1页，共24页，编辑于2022年，星期日目录1 SPS1 SPS合成技术的发展合成技术的发展 2 2 等离子体烧结技术原理等离子体烧结技术原理3 3 等离子体放电烧结的工艺等离子体放电烧结的工艺 4 4 等离子体放电烧结在应用举例等离子体放电烧结在应用举例第2页，共24页，编辑于2022年，星期日n19301930年年，美美国国科科学学家家提提出出利利用用等等离离子子体体脉脉冲冲电电流流烧烧结结原原理理，但但是是直直到到19651965年年，脉脉冲冲电电流流烧烧结结技技术术才才在在美美、日日等等国国得得到到应应用用。日日本本获获得得了了SPSSPS技技术术的的专专利利，但
2、但当当时时未未能能解解决决该该技技术术存存在在的的生生产产效效率率低低等等问问题题，因因此此SPSSPS技技术术没没有有得得到到推推广广应用。应用。nSPS技术的推广应用是从上个世纪技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。年代末期开始的。n1988年年日日本本研研制制出出第第一一台台工工业业型型SPS装装置置，并并在在新新材材料料研研究领域内推广应用。究领域内推广应用。n1990年年以以后后，日日本本推推出出了了可可用用于于工工业业生生产产的的SPS第第三三代代产产品品，具具有有10100t的的烧烧结结压压力力和和50008000A脉脉冲冲电电流流，其其优优良良的烧结特性，大大促进了新材
3、料的开发。的烧结特性，大大促进了新材料的开发。n1996年年，日日本本组组织织了了产产学学官官联联合合的的SPS研研讨讨会会，并并每每年年召召开开一次。一次。第3页，共24页，编辑于2022年，星期日n由由于于SPSSPS技技术术具具有有快快速速、低低温温、高高效效率率等等优优点点，近近几几年年国国外外许许多多大大学学和和科科研研机机构构都都相相继继配配备备了了SPSSPS烧烧结结系系统统，应应用用金金属属、陶陶瓷瓷、复复合合材材料料及及功功能能材材料料的的制制备备，并利用并利用SPSSPS进行新材料的开发和研究。进行新材料的开发和研究。第4页，共24页，编辑于2022年，星期日9.2 SPS
4、合成技术原理合成技术原理等离子体烧结技术的概念等离子体烧结技术的概念等离子体等离子体 等等离离子子体体是是宇宇宙宙中中物物质质存存在在的的一一种种状状态态，是是除除固固、液液、气气三三态态外外物物质质的的第第四四种种状状态态。所所谓谓等等离离子子体体就就是是指指电电离离程程度度较较高高、电电离离电电荷荷相相反反、数数量量相相等等的的气气体体，通通常常是是由由电电子子、离离子子、原原子子或或自由基等粒子组成的集合体。自由基等粒子组成的集合体。第5页，共24页，编辑于2022年，星期日等离子体烧结技术等离子体烧结技术(SPS)(SPS)放放电电等等离离子子烧烧结结（Spark Spark Plas
5、ma Plasma SinteringSintering）简简称称SPSSPS，是是近近年年来来发发展展起起来来的的一一种种新新型型的的快快速速烧烧结结技技术。术。该该技技术术是是在在粉粉末末颗颗粒粒间间直直接接通通入入脉脉冲冲电电流流进进行行加加热热烧烧结结，因因此此有有时时也也被被称称为为等等离离子子活活化化烧烧结结(Plasma(Plasma Activated Activated Sinteriny,PAS)Sinteriny,PAS)或或 等等离离 子子 体体 辅辅 助助 烧烧 结结（Plasma Assister Sinteriny,PASPlasma Assister Sinte
6、riny,PAS）。）。第6页，共24页，编辑于2022年，星期日 该该技技术术是是通通过过将将特特殊殊电电源源控控制制装装置置发发生生的的ON-OFFON-OFF直直流流脉脉冲冲电电压压加加到到粉粉体体试试料料上上，除除了了能能利利用用通通常常放放电电加加工工所所引引起起的的烧烧结结促促进进作作用用（放放电电冲冲击击压压力力和和焦焦耳耳加加热热）外外，还还有有效效利利用用脉脉冲冲放放电电初初期期粉粉体体间间产产生生的的火火花花放放电电现现象象（瞬瞬间间产产生生高高温温等等离离子子体体）所所引引起起的的烧烧结结促促进进作作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。用通过瞬时高温场实现致密化的快
7、速烧结技术。第7页，共24页，编辑于2022年，星期日等离子体烧结技术的原理等离子体烧结技术的原理 SPSSPS烧烧结结机机理理目目前前还还没没有有达达成成较较为为统统一一的的认认识识，其其烧烧结结的的中中间间过过程程还还有有待待于于进进一一步步研研究究。SPSSPS的的制制造造商商SumitomoSumitomo公公司司的的M.TokitaM.Tokita最最早早提提出出放放电电等等离离子子烧烧结结的的观观点点，他他认认为为：粉粉末末颗颗粒粒微微区区还还存存在在电电场场诱诱导导的的正正负负极极，在在脉脉冲冲电电流流作作用用下下颗颗粒粒间间发发生生放放电电，激激发发等等离离子子体体，由由放放电
8、电产产生生的的高高能能粒粒子子撞撞击击颗颗粒粒间间的的接接触触部部分分，使使物物质质产产生生蒸蒸发发作作用用而而起起到到净净化化和和活活化化作作用用，电电能能贮贮存存在在颗颗粒粒团团的的介介电电层中，介电层发生间歇式快速放电。层中，介电层发生间歇式快速放电。第8页，共24页，编辑于2022年，星期日放放电电等等离离子子体体形形成成的的机机理理示示意意图图第9页，共24页，编辑于2022年，星期日n目目前前一一般般认认为为：SPSSPS过过程程除除具具有有热热压压烧烧结结的的焦焦耳耳热热和和加加压压造造成成的的塑塑性性变变形形促促进进烧烧结结过过程程外外，还还在在粉粉末末颗颗粒粒间间产产生生直直
9、流流脉脉冲冲电电压压，并并有有效效利利用用了了粉粉体体颗颗粒粒间间放放电电产产生生的的自自发发热热作作用用，因因而而产产生生了了一一些些SPSSPS过过程程特特有的现象有的现象 。第10页，共24页，编辑于2022年，星期日第第一一，由由于于脉脉冲冲放放电电产产生生的的放放电电冲冲击击波波以以及及电电子子、离离子子在在电电场场中中反反方方向向的的高高速速流流动动，可可使使粉粉末末吸吸附附的的气气体体逸逸散散，粉粉末末表表面面的的起起始始氧氧化化膜膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第第二二，由由于于脉脉冲冲是是瞬瞬间间、断断续续、高高频频率率发发
10、生生，在在粉粉末末颗颗粒粒未未接接触触部部位位产产生生的的放放电电热热，以以及及粉粉末末颗颗粒粒接接触触部部位位产产生生的的焦焦耳耳热热，都都大大大大促促进进了了粉粉末末颗颗粒粒原原子子的的扩扩散散，其其扩扩散散系系数数比比通通常常热热压压条条件件下下的的要要大大得得多多，从从而而达达到到粉末烧结的快速化粉末烧结的快速化;第第三三，ON-ON-OFFOFF快快速速脉脉冲冲的的加加入入，使使粉粉末末内内的的放放电电部部位位及及焦焦耳耳发发热热部部件件，都都会会快快速速移移动动，使使粉粉末末的的烧烧结结能能够够均均匀匀化化。使使脉脉冲冲集集中中在在晶晶粒粒结结合合处处是是SPSSPS过程的一个特点
11、。过程的一个特点。第11页，共24页，编辑于2022年，星期日n SPSSPS过过程程中中，颗颗粒粒之之间间放放电电时时，会会瞬瞬时时产产生生高高达达几几千千度度至至1 1万万度度的的局局部部高高温温，在在颗颗粒粒表表面面引引起起蒸蒸发发和和熔熔化化，在在颗颗粒粒接接触触点点形形成成颈颈部部，由由于于热热量量立立即即从从发发热热中中心心传传递递到到颗颗粒粒表表面面和和向向四四周周扩扩散散，颈颈部部快快速速冷冷却却而而使使蒸蒸汽汽压压低低于于其其他部位。他部位。n 气气相相物物质质凝凝聚聚在在颈颈部部形形成成高高于于普普通通烧烧结结方方法法的的蒸发蒸发-凝固传递凝固传递是是SPSSPS过程的另一
12、个重要特点。过程的另一个重要特点。第12页，共24页，编辑于2022年，星期日等离子体烧结技术的工艺流程等离子体烧结技术的工艺流程选择适当模具选择适当模具计算所需粉体质量计算所需粉体质量填充模具填充模具施加压力施加压力放入等离子体烧结放入等离子体烧结静压成型静压成型电脑调节电脑调节烧结参数烧结参数等离子体等离子体快速烧结快速烧结试样成品试样成品性能检测与研究性能检测与研究第13页，共24页，编辑于2022年，星期日123456脉冲电流发生器水冷真空室SPS加压装置SPS控制装置位移测量系统气氛控制系统水冷系统温度测量系统放电等离子烧结系统示意图1.上电极 2.下电极 3.粉末4.下压头 5.下
13、电极 6.模具 第14页，共24页，编辑于2022年，星期日放电等离子烧结优点放电等离子烧结优点 放放电电等等离离子子烧烧结结由由于于强强脉脉冲冲电电流流加加在在粉粉末末颗颗粒粒间间，因因此此可可产产生生诸诸多多有有利利于于快快速速烧烧结结的的效效应应。其相比常规烧结技术有以下优点：其相比常规烧结技术有以下优点：u 烧结速度快；烧结速度快；u 改进陶瓷显微结构和提高材料的性能改进陶瓷显微结构和提高材料的性能 第15页，共24页，编辑于2022年，星期日 放放电电等等离离子子烧烧结结融融等等离离子子活活化化、热热压压、电电阻阻加加热热为为一一体体，升升温温速速度度快快、烧烧结结时时间间短短、烧烧
14、结结温温度度低低、晶晶粒粒均均匀匀、有有利利于于控控制制烧烧结结体体的的细细微微结结构构、获获得得材材料料的的致致密密度度高高，并并且且有有着着操操作作简简单单、再再现现性性高高、安安全全可可靠靠、节节省省空空间间、节节省省能能源源及及成成本本低低等等优点。优点。第16页，共24页，编辑于2022年，星期日等离子体烧结技术的适用范围等离子体烧结技术的适用范围 由由于于其其独独特特的的烧烧结结机机理理，SPSSPS技技术术具具有有升升温温速速度度快快、烧烧结结温温度度低低、烧烧结结时时间间短短、节节能能环环保保等等特特点点，SPSSPS已已广广泛泛应应用用于于纳纳米米材材料料、梯梯度度功功能能材
15、材料料、金金属属材材料料、磁磁性性材材料料、复复合合材材料料、陶陶瓷瓷等材料等材料的制备。的制备。第17页，共24页，编辑于2022年，星期日纳米材料纳米材料 传传统统的的热热压压烧烧结结、热热等等静静压压等等方方法法制制备备纳纳米米材材料料，很很难难保保证证晶晶粒粒的的纳纳米米尺尺寸寸，又又达达到到完完全全致致密密的的要要求求。利利用用SPSSPS技技术术，因因其其加加热热迅迅速速，合合成成时时间间短短，可可明明显显抑抑制制晶晶粒粒粗粗化化。利利用用SPSSPS技技术术，因因其其加加热热迅迅速速，合合成成时时间间短，可明显抑制晶粒粗化。短，可明显抑制晶粒粗化。利利用用SPSSPS能能快快速速
16、降降温温这这一一特特点点来来控控制制烧烧结结过过程程的的反反应应历历程程，避避免免一一些些不不必必要要的的反反应应发发生生，这这就就可可能能使使粉粉末末中中的的缺缺陷陷和和亚亚结结构构在在烧烧结结后后的的块块体体材材料料中中得得以以保保留留，在在更更广广泛泛的的意意义义上上说说，这这一一点点有有利利于于合合成成介介稳稳材材料料，特别有利于制备纳米材料。特别有利于制备纳米材料。第18页，共24页，编辑于2022年，星期日梯度功能材料梯度功能材料 梯梯度度功功能能材材料料(FGM)(FGM)是是一一种种组组成成在在某某个个方方向向上上梯梯度度分分布布的的复复合合材材料料，各各层层的的烧烧结结温温度
17、度不不同同，利利用用传传统统的的烧烧结结方方法法难难以以一一次次烧烧成成。利利用用CVD CVD,PVD,PVD等等方方法法制制备备梯梯度度材材料料，成成本本很很高高，也也很很难难实实现现工工业业化化生生产产。通通过过SPSSPS技技术术可可以以很很好好地克服这一难点。地克服这一难点。SPSSPS可可以以制制造造陶陶瓷瓷/金金属属、聚聚合合物物/金金属属以以及及其其他他耐耐热热梯梯度度、耐耐磨磨梯梯度度、硬硬度度梯梯度度、导导电电梯梯度度、孔孔隙隙度度梯梯度度等等材材料。梯度层可到料。梯度层可到1010多层，实现烧结温度的梯度分布。多层，实现烧结温度的梯度分布。第19页，共24页，编辑于202
18、2年，星期日电磁材料电磁材料 采采用用SPSSPS技技术术还还可可以以制制作作SiGeSiGe，PbTePbTe，BiTeBiTe，FeSiFeSi，CoSbCoSb3 3等等体体系系的的热热电电转转化化元元件件，以以及及广广泛泛用用于于电电子子领领域域的的各各种种功功能能材材料料，如如超超导导材材料料、磁磁性性材材料料、靶靶材材、介介电电材材料料、贮贮氢氢材材料料、形形状状记记忆忆材材料料、固固体体电电池材料、光学材料等。池材料、光学材料等。第20页，共24页，编辑于2022年，星期日金属间化合物金属间化合物 金金属属间间化化合合物物具具有有常常温温脆脆性性和和高高熔熔点点，因因此此制制备备
19、或或生生产产需需要要特特殊殊的的过过程程。利利用用熔熔化化法法（电电火火花花熔熔化化、电电阻阻熔熔化化、感感应应熔熔化化等等）制制备备金金属属间间化化合合物物往往往往需需要要高高能能量量、真真空空系系统统，而而且且需需要要进进行行对对其其二二次次加加工工（锻锻造造）。利利用用SPSSPS技技术术准准备备金金属属间间化化合合物物，因因为为有有效效利利用用了了颗颗粒粒间间的的自自发发热热作作用用和和表表面面活活化化作作用用，可可实实现现低低温温、快快速速烧烧结结，所所以以SPSSPS技技术术为为制制备备金金属属间间化化合合物物的的一一种种有有效效方方法法。目目前前，利利用用SPSSPS技技术术已已
20、制制备备的的金金属属间间化化合合物物体体系系有有：Ti-AlTi-Al体系、体系、Mo-SiMo-Si体系、体系、Ni-AlNi-Al体系等。体系等。第21页，共24页，编辑于2022年，星期日高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷 在在SPSSPS过过程程中中，样样品品中中每每一一个个粉粉末末颗颗粒粒及及其其相相互互间间的的空空隙隙本本身身都都可可能能是是发发热热源源。用用通通常常方方法法烧烧结结时时所所必必需需的的传传热热过过程程在在SPSSPS过过程程中中可可以以忽忽略略不不计计。因因此此烧烧结结时时间间可可以以大大为为缩缩短短，烧烧结结温温度度也也明明显显降降低低
21、。对对于于制制备备高高密密度度、细细晶晶粒粒陶陶瓷瓷，SPSSPS是是一一种种很很有有优优势势的的烧烧结结手段。手段。第22页，共24页，编辑于2022年，星期日其他材料其他材料 此此外外，SPSSPS技技术术也也已已成成功功地地应应用用于于金金属属基基复复合合材材料料（MMCMMC）、非非晶晶合合金金、生生物物材材料料、超超导导材材料料和和多多孔孔材材料料等等各各种种新新材材料料的的制制备备，并并获获得得了了较较为为优优异异的的性性能能。同同时时，SPSSPS在在硬硬质质合合金金的的烧烧结结，多多层层金金属属粉粉末末的的同同步步连连接接（bondingbonding）、陶陶瓷瓷粉粉末末和和金
22、金属属粉粉末末的的连连接接以以及及固固体体-粉末粉末-固体的连接方面也已有了广泛的应用。固体的连接方面也已有了广泛的应用。第23页，共24页，编辑于2022年，星期日n SPSSPS利利用用直直流流脉脉冲冲电电流流直直接接通通电电烧烧结结的的加加压压烧烧结结方方法法，通通过过调调节节脉脉冲冲直直流流电电的的大大小小控控制制升升温温速速率率和和烧烧结结温温度度。整整个个烧烧结结过过程程可可在在真真空空环环境境下下进进行行，也也可可在在保保护护气气氛氛中中进进行行。烧烧结结过过程程中中，脉脉冲冲电电流流直直接接通通过过上上下下压压头头和和烧烧结结粉粉体体或或石石墨墨模模具具，因因此此加加热热系系统统的的热热容容很很小小，升升温温和和传传热热速速度度快快，从从而而使使快快速速升温烧结成为可能。升温烧结成为可能。第24页，共24页，编辑于2022年，星期日