SPS放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
 

　　放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering)即SPS,，是將金屬、陶瓷等粉末裝入模具內(nèi),，利用上,、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)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(jié)技術(shù)。
 

　　放電等離子燒結(jié)具有在加壓過(guò)程中燒結(jié)的特點(diǎn),，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過(guò)程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度,。具有升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短,、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點(diǎn),，可用來(lái)制備金屬材料,、陶瓷材料、復(fù)合材料,，也可用來(lái)制備納米塊體材料,、非晶體塊材料、梯度材料等,。
 

　　一,、SPS的燒結(jié)原理
 

　　SPS是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的，等離子體是物質(zhì)在高溫或特點(diǎn)激勵(lì)下的一種物質(zhì)狀態(tài),，是除固態(tài),、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質(zhì)的第四狀態(tài),。等離子體是電離氣體,，由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體,。
 

　　產(chǎn)生等離子體的方法包括加熱,、放電和光激勵(lì)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(gè)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(cè)量、溫度測(cè)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(jié)的加壓燒結(jié)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(chǎng)擴(kuò)散作用,。在SPS燒結(jié)過(guò)程中,，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體,，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)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(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。這種放電直接加熱法,，熱效率*,，放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質(zhì),、致密,、高質(zhì)量的燒結(jié)體。SPS燒結(jié)過(guò)程可以看作是顆粒放電,、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果,。除加熱和加壓這兩個(gè)促進(jìn)燒結(jié)的因素外，在SPS技術(shù)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(zhì)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(zhì)(如去除表層氧化物等)和吸附的氣場(chǎng),。電場(chǎng)的作用是加快擴(kuò)散過(guò)程。
 

　　納米材料
 

　　傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié),、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(dá)到*致密的要求。利用SPS技術(shù),，因其加熱迅速,，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化,。利用SPS技術(shù),，因其加熱迅速，合成時(shí)間短,，可明顯抑制晶粒粗化,。利用SPS能快速降溫這一特點(diǎn)來(lái)控制燒結(jié)過(guò)程的反應(yīng)歷程，避免一些不必要的反應(yīng)發(fā)生,，這就可能使粉末中的缺陷和亞結(jié)構(gòu)在燒結(jié)后的塊體材料中得以保留,，在更廣泛的意義上說(shuō)，這一點(diǎn)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(gè)方向上梯度分布的復(fù)合材料，各層的燒結(jié)溫度不同,，利用傳統(tǒng)的燒結(jié)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),。通過(guò)SPS技術(shù)可以很好地克服這一難點(diǎn)。
 

　　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(dǎo)電梯度、孔隙度梯度等材料,。梯度層可到10多層,，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。
 

　　高致密度,、細(xì)晶粒陶瓷和金屬陶瓷
 

　　在SPS過(guò)程中,，樣品中每一個(gè)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(jié)時(shí)所必需的傳熱過(guò)程在SPS過(guò)程中可以忽略不計(jì),。因此燒結(jié)時(shí)間可以大為縮短,，燒結(jié)溫度也明顯降低。對(duì)于制備高密度,、細(xì)晶粒陶瓷,，SPS是一種很有優(yōu)勢(shì)的燒結(jié)手段,。