SPS放電等離子燒結系統(tǒng)
 

　　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(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技術。
 

　　放電等離子燒結具有在加壓過程中燒結的特點，脈沖電流產(chǎn)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(jié)能環(huán)保等鮮明特點，可用來制備金屬材料、陶瓷材料、復合材料，也可用來制備納米塊體材料、非晶體塊材料、梯度材料等。
 

　　一、SPS的燒結原理
 

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

　　產(chǎn)生等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵等。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、位移測量、溫度測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的加壓燒結法。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、焦耳熱和電場擴散作用。在SPS燒結過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結體內部各個顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。SPS是有效利用粉末內部的自身發(fā)熱作用而進行燒結的。這種放電直接加熱法，熱效率*，放電點的彌散分布能夠實現(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質、致密、高質量的燒結體。SPS燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。除加熱和加壓這兩個促進燒結的因素外，在SPS技術中，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(如去除表層氧化物等)和吸附的氣場。電場的作用是加快擴散過程。
 

　　納米材料
 

　　傳統(tǒng)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(fā)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(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(tǒng)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。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(xiàn)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(fā)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(yōu)勢的燒結手段。