放电等离子烧结(SPS)技术简介.ppt

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1、放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术主讲人：谢新凤班级：材料四班 学号：20113493简介简介系统结构系统结构及机理及机理工艺特点工艺特点123应用应用4放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)简称SPS，是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程,对于实现优质高效、低耗低成本的材料制备具有重要意义。在纳米材料、复合材料等的制备中显示了极大的优越性,现已应用于金属、陶瓷、复合材料以及功能材料的制备。目前，国内外许多大学和科研机构利用SPS进行新

2、材料的研究与开发,并对其烧结机理与特点进行深入研究,而其快速升温的特点,可作为制备纳米块体材料的有效手段。SPSSPS技术技术简介简介1放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术SPSSPS技术技术系统结构系统结构2 2 将金属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放放电电活活化化、热热塑塑变变形形和和冷冷却却阶阶段段完成制取高性能材料或制件。是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外,还在粉末颗粒间产生直

3、流脉冲电压,并有效利用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,因而产生了一些SPS过程特有的现象,如图2所示。SPSSPS技术技术机机理理2 2放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 SPS的烧结有两个非常重要的步骤,首先由特殊电源产生的直流脉冲电压,在粉体的空隙产生放电等离子,由放放电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,电能贮存在颗粒团的介电层中,介电层发生间歇式快速放电,如图3所示。等离子体的产生可以净化金属颗粒表面,提高烧结活性,降低金属原子

4、的扩散自由能,有助于加速原子的扩散。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 当脉冲电压达到一定值时,粉体间的绝缘层被击穿而放电,使粉体颗粒产生自发热,进而使其高速升温。粉体颗粒高速升温后,晶粒间结合处通过扩散迅速冷却,电场的作用因离子高速迁移而高速扩散,通过重复施加开关电压,放电点在压实颗粒间移动而布满整个粉体。使使脉脉冲冲集集中中在在晶晶粒粒结合处是结合处是SPSSPS过程的一个特点过程的一个特点。颗粒之间放电时会产生局部高温,在颗粒表面引起蒸发和熔化,在颗粒接触点形成颈部,由于热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散,颈部快速冷却而使蒸气压低于其他部位。气气相相物物质质凝凝聚

5、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蒸发的蒸发-凝固传递是凝固传递是SPSSPS过程的另一个重要特点过程的另一个重要特点。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用,体扩散、晶界扩散都得到加强,加速了烧结致密化过程,因此用较低的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术SPSSPS工艺工艺特点特点3 3与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点特点是：粉末原料广泛粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS烧结原科。成形压力低成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活性化

6、状态为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/101/20。烧结时间短烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达106/s，自动化生产小型制件时的生产率可达400件/h。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 采用石墨模具采用石墨模具，成本低，加工方便。大气下烧结大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。脉动电源脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。节约能源，热效率高节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术SPSSPS技术技术应用应用4 4SPS可加工材

7、料放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 SPS技术制备纳米纳米材料材料纳米材料以其独特的性能特点,引起材料学界的关注,但纳米晶块体材料的较为有效和实用的制备方法目前还在研究探索之中。SPS技术由于烧烧结结时时间间大大大大缩缩短短,可可以以抑抑制制晶晶粒粒的的长长大大,因此，有望获得致密的纳米材料。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 SPS技术制备梯度功能材料梯度功能材料 梯梯度度功功能能材材料料(FGMs)(FGMs)是是一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,在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相差较大,且界面的膨胀系数不同而产

8、生热应力,给材料的制备带来困难,而应用SPS方法可以很好的克服这一难点,实现烧烧结结温温度度的的梯梯度度分分布布。通过SPS技术可以制造陶瓷/金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术 SPS技术制备高致密度、细晶粒陶瓷高致密度、细晶粒陶瓷在SPS过程中,每一个粉末及其相互间的孔隙都是发热源,因此烧烧结结时时传传热热时时间间极极短短,可可以以忽忽略略不不计计,烧烧结结温温度度也也大大为降低为降低,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料。放电等离子烧结放电等离子烧结（SPS）技术）技术Thank you!参考文献：参考文献：王王 松松，谢谢 明明，张张吉吉明明，等等.放放电电等等离离子子烧烧结结技技术术进进展展J.贵金属，贵金属，2012,33(3)：73-77.冯冯海海波波，周周 玉玉，贾贾德德昌昌放放电电等等离离子子烧烧结结技技术术的的原原理理及及应用应用J材料科学与工艺，材料科学与工艺，2003，11(3)：327-331