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。

 

    放電等離子燒結系統能夠實現在燒結過程中加壓，脈沖電流產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、節能環保等鮮明特點。

 

脈沖電流通過粉末粒子

 

SPS在材料制備中的應用

 

    由于SPS的燒結機理，SPS技術具有升溫速度快、燒結溫度低、燒結時間短、節能環保等特點，SPS技術已廣泛應用于納米材料、梯度功能材料、金屬材料、磁性材料、復合材料、陶瓷等材料的制備。

 

 

納米材料

 

    傳統的熱壓燒結、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，也很難實現工業化生產。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是一種很有優勢的燒結手段。

 

磁性材料

 

    用SPS燒結NdFeB磁性合金，如果在較高的溫度下燒結，可以得到高的致密度，但是燒結溫度過高會出現α相和晶粒長大，磁性能惡化。若在較低溫度下燒結，雖能保持較好的磁性能，但是粉末不能被壓實。SPS工藝具有燒結溫度低、保溫時間短的工藝優點。以前用快速凝固法制備的軟磁合金薄帶，雖然已經達到幾十納米的細小晶粒組織，但是很難制備成合金塊體，應用受到很大的限制，而現在采用SPS制備的塊體磁性合金的磁性能能夠達到非晶和納米晶組織帶材的軟磁性能。

 

非晶材料

 

    在非晶合金的制備中，常采用金屬模澆鑄法和水淬法來獲得較高的冷卻速率，從而得到非晶組織，之后采用在晶化溫度以下進行溫擠壓，溫軋，沖擊固化和等靜壓燒結的方法來制備大塊非晶合金，但是存在很多問題，例如長時間的加熱過程會使得非晶組織產生晶粒長大，從而惡化性能。SPS有望在這方面取得進展，目前的研究認為，SPS在燒結的過程中，加熱固化的行為發生在晶化之前，即就是在該過程中，合金的固化發生速度于晶化。

 

總結和展望

 

    放電等離子燒結（SPS）是一種低溫、短時的快速燒結法，在新材料的制備和研究中發揮著重要的作用。為了滿足未來的研發需求，SPS設備需要增加更多的功能性和脈沖電流容量等，以便滿足更大的產品需求和生產應用，特別是全自動化的SPS生產系統，以滿足復雜形狀、高性能產品和三維梯度功能材料的生產需要，也需要研制比目前使用的石墨模具強度更高、重復利用率更好的新型模具材料，以提高模具的承載能力和降低成本，在工藝方面，需要建立模具溫度和工件實際溫度的關系，以便更好的控制產品質量。

 

上海皓越研發生產的SPS設備

 

    皓越科技是一家集研發、生產、銷售電爐為一體的企業。公司一直專注于半導體材料、碳材料、陶瓷與復合材料和鋰電材料四大領域，擁有豐富的行業經驗和專業技術，竭誠服務于客戶，提供完善的一體化產業解決方案。