SPS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.doc

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1、放電等離子燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用1　前言　　隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展,新型材料特不是新型功能材料的種類和需求量不斷增加,材料新的功能呼喚新的制備技術(shù)。放電等離子燒結(jié)(ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｉｎｇ,簡(jiǎn)稱ＳＰＳ)是制備功能材料的一種全新技術(shù),它具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)刻短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮亮特點(diǎn),可用來制備金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料,也可用來制備納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。2　國(guó)內(nèi)外ＳＰＳ的進(jìn)展與應(yīng)用狀況15/15　?。樱校蛹夹g(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié),因此在有的文獻(xiàn)上也被稱為等離子活化燒結(jié)或等離子輔助燒結(jié)

2、(ｐｌａｓｍａａｃｔｉｖａｔｅｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ-ＰＡＳ或ｐｌａｓｍａ-ａｓｓｉｓｔｅｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ-ＰＡＳ)[1,2]。早在1930年,美國(guó)科學(xué)家就提出了脈沖電流燒結(jié)原理,然而直到1965年,脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用。日本獲得了ＳＰＳ技術(shù)的專利,但當(dāng)時(shí)未能解決該技術(shù)存在的生產(chǎn)效率低等問題,因此ＳＰＳ技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用?！　?988年日本研制出第一臺(tái)工業(yè)型ＳＰＳ裝置,并在新材料研究領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用。1990年以后,日本推出了可用于工業(yè)生產(chǎn)的ＳＰＳ第三代產(chǎn)品,具有10～100ｔ的燒結(jié)壓力和脈沖電流5000～8000Ａ。最近又研制出

3、壓力達(dá)500ｔ,脈沖電流為25000Ａ的大型ＳＰＳ裝置。由于ＳＰＳ技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點(diǎn),近幾年國(guó)外許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼配備了ＳＰＳ燒結(jié)系統(tǒng),并利用ＳＰＳ進(jìn)行新材料的研究和開發(fā)[3]。1998年瑞典購(gòu)進(jìn)ＳＰＳ燒結(jié)系統(tǒng),對(duì)碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料進(jìn)行了較多的研究工作[4]。15/15　　國(guó)內(nèi)近三年也開展了用ＳＰＳ技術(shù)制備新材料的研究工作[1,3],引進(jìn)了數(shù)臺(tái)ＳＰＳ燒結(jié)系統(tǒng),要緊用來燒結(jié)納米材料和陶瓷材料[5～8]。ＳＰＳ作為一種材料制備的全新技術(shù),已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。3?。樱校拥臒Y(jié)原理31　等離子體和等離子加工技術(shù)[9,10

4、]　?。樱校邮抢梅烹姷入x子體進(jìn)行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵(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)的第四種狀態(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?！　〉入x子體是解離的高溫導(dǎo)電氣體,可提供反應(yīng)活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000～10999℃,其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài),而且等離子氣體內(nèi)離子化程度專門高,這些性質(zhì)使得等離子體成為一種特不重要的材料制備和加工技術(shù)。15/15　　等離子體加工技術(shù)已得到較多的應(yīng)用,例如等離子體ＣＶＤ、低溫等離子體ＰＶＤ以及等離子體和離子束刻蝕等。

5、目前等離子體多用于氧化物涂層、等離子刻蝕方面,在制備高純碳化物和氮化物粉體上也有一定應(yīng)用。而等離子體的另一個(gè)專門有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是在陶瓷材料的燒結(jié)方面[1]?！　　　‘a(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。32　ＳＰＳ裝置和燒結(jié)差不多原理　?。樱校友b置要緊包括以下幾個(gè)部分:軸向壓力裝置;水冷沖頭電極;真空腔體;氣氛操縱系統(tǒng)(真空、氬氣);直流脈沖電源及冷卻水、位移測(cè)量、溫度測(cè)量和安全等操縱單元。ＳＰＳ的差不多結(jié)構(gòu)如圖1所示。15/15　?。樱校优c熱壓(ＨＰ

6、)有相似之處,但加熱方式完全不同,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要緊作用是產(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[11]。ＳＰＳ燒結(jié)時(shí)脈沖電流通過粉末顆粒如圖2所示。在ＳＰＳ燒結(jié)過程中,電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體,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。與自身加熱反應(yīng)合成法(ＳＨＳ)和微波燒結(jié)法類似,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,熱效率極高,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)

7、體。ＳＰＳ燒結(jié)過程能夠看作是顆粒放電、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,能夠使表面局部熔化、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)和吸附的氣體。電場(chǎng)的作用是加快擴(kuò)散過程[1,9,12]。4?。樱校拥墓に噧?yōu)勢(shì)15/15　?。樱校拥墓に噧?yōu)勢(shì)十分明顯:加熱均勻,升溫速度快,燒結(jié)溫度低,燒結(jié)時(shí)刻短,生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品組織細(xì)小均勻,能保持原材料的自然狀態(tài),能夠得到高致密度的材料,能夠燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件等[3,11]。與ＨＰ和ＨＩＰ相

8、比,ＳＰＳ裝置操作簡(jiǎn)單、不需要專門的熟練技術(shù)。文獻(xiàn)[11]報(bào)道,生產(chǎn)一塊直徑100ｍｍ、厚17ｍｍ的ＺｒＯ2