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放电等离子烧结(SPS)简介
山东广和 孙伟
放电等离子烧结 (SPS)是一种快速、低温、节能、环保的材料制备新技术,可用来制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料、复合材料、梯度材料等。
目前,国内外用SPS制备新材料的研究主要集中在:陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物,复合材料纳米材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料,它包括热电材料、磁性材料,功能梯度材料,复合功能材料和纳米功能材料等。对SPS制备非晶合金、形状记忆合金、金刚石等也作了尝试,取得了较好的结果。
随着高新技术产业的发展,新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加,材料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是制备功能材料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料,也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
SPS是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态,是除固态、液态和气态以外,物质的第四种状态。等离子体是电离气体,由大量正负带电粒子和中性粒子组成,并表现出集体行为的一种准中性气体
产生等离子体的方法包括加热、放电和光激励等。放电产生的等离子体包括直流放电、射频放电和微波放电等离子体。SPS利用的是直流放电等离子体。
SPS装置主要包括:轴向压力装置;水冷冲头电极;真空腔体;气氛控制系统(真空、氩气);直流脉冲电源及冷却水、位移测量、温度测量和安全装置等控制单元。
SPS与热压(HP)有相似之处,但加热方式完全不同,它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。SPS烧结时脉冲电流通过粉末颗粒。在SPS烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波烧结法类似,SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热法,热效率极高,放电点的弥散分布能够实现均匀加热,因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外,在SPS技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表层氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。
SPS的工艺优势十分明显:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度的材料,可以烧结梯度材料以及复杂工件等。与HP和HIP相比,SPS装置操作简单、不需要专门的熟练技术。
SPS合成技术原理
1、等离子体
等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,是除固、液、气三态外物质的第四种状态。所谓等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体,通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。
 处于等离子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性,在一定的条件下可获得较完全的化学反应。
 之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态,是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。
 首先,气体通常是不导电的,等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。
 其二,组成粒子间的作用力不同,气体分子间不存在静电磁力,而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力,并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。
 第三,作为一个带电粒子系,等离子体的运动行为明显地会收到电磁场影响和约束。
 需要说明的是,并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度,使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时,体系的性质才会从量变到质变,这样的“电离气体”才算转变成等离子体。
 否则,体系中虽有少数粒子电离,仍不过是互不相关的各部分的简单加和,而不具备作为物质的第四态的典型性和特征,仍属于气态。
2、等离子体一般分两类
第一类是高温等离子体或称热等离子体(亦称高压平衡等离子体)
此类等离子体中,粒子的激发或是电离主要是通过碰撞实现,当压力大于1.33×104Pa时,由于气体密度较大,电子撞击气体分子,电子的能量被气体吸收,电子温度和气体温度几乎相等,即处于热力学平衡状态。
第二类是低温等离子体(亦称冷等离子体)
在低压下产生,压力小于1.33×104Pa时,气体被撞击的几率减少,气体吸收电子的能量减少,造成电子温度和气体温度分离,电子温度比较高(104K)而气体的温度相对比较低(102~103K),即电子与气体处于非平衡状态。气体压力越小,电子和气体的温差就越大。 8/12/2011


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