SPS等離子燒結(jié)爐的原理

時間：2014-08-13

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優(yōu)點(diǎn)

放電等離子燒結(jié)由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間，因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)有以下優(yōu)

點(diǎn)：

燒結(jié)速度快；

改進(jìn)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和提高材料的性能

放電等離子燒結(jié)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體，升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻、有利于控制

燒結(jié)體的細(xì)微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高，并且有著操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等優(yōu)

點(diǎn)。

技術(shù)原理

SPS燒結(jié)機(jī)理目前還沒有達(dá)成較為統(tǒng)一的認(rèn)識，其燒結(jié)的中間過程還有待于進(jìn)一步研究。

目前一般認(rèn)為：SPS過程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促進(jìn)燒結(jié)過程外，還在粉末顆粒間產(chǎn)生直流脈沖

電壓，并有效利用了粉體顆粒間放電產(chǎn)生的自發(fā)熱作用，因而產(chǎn)生了一些SPS過程*的現(xiàn)象。

SPS中施加直流開關(guān)脈沖電流的作用：

*，由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面

的起始氧化膜在一定程度上被擊穿，使粉末得以凈化、活化；

第二，由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生，在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱

，都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散，其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多，從而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化;

第三，ON- OFF快速脈沖的加入，使粉末內(nèi)的放電部位及焦耳發(fā)熱部件，都會快速移動，使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。使脈

沖集中在晶粒結(jié)合處是SPS過程的一個特點(diǎn)。

SPS過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產(chǎn)生高達(dá)幾千度至1萬度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在顆粒接觸點(diǎn)形

成頸部，由于熱量立即從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴(kuò)散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位。

氣相物質(zhì)凝聚在頸部形成高于普通燒結(jié)方法的蒸發(fā)-凝固傳遞是SPS過程的另一個重要特點(diǎn)。晶粒受脈沖電流加熱和垂直

單向壓力的作用，體擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散都得到加強(qiáng)，加速了燒結(jié)致密化過程，因此用較低的溫度和比較短的時間可得到高質(zhì)

量的燒結(jié)體。SPS過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。S. W. Wang和L. D.Chen等人分別對導(dǎo)電

Cu粉和非導(dǎo)電Al2O3粉進(jìn)行SPS燒結(jié)研究，認(rèn)為導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料存在不同的燒結(jié)機(jī)理，導(dǎo)電粉體中存在焦耳熱效應(yīng)

和脈沖放電效應(yīng)，而非導(dǎo)電粉體的燒結(jié)，主要源于模具的熱傳導(dǎo)。

放電等離子燒結(jié)的中間過程和現(xiàn)象十分復(fù)雜，許多科學(xué)家們對SPS的燒結(jié)過程建立了模型。U.Anselmi-Tamburini等對SPS

過程中的電流和溫度的分布進(jìn)行了模擬，認(rèn)為溫度的分布和電流的分布緊密相關(guān)。