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放电等离子烧结(SPS)技术简介教程

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  放电等离子烧结(SPS)技术 主讲人:谢新凤 班级: 材料四班 学号: 20113493 放电等离子烧结(SPS)技术 1 2 3 4 简介 系统结构 及机理 工艺特点 应用 放电等离子烧结(SPS)技术 1 SPS技术简介 ? 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。 放电等离子烧结(SPS)技术 2 SPS技术系统结构 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。 经放电活化、热塑变形和 冷却阶段完成制取高性能 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(SPS)技术 2 SPS技术机理 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 流脉冲电压,并有效 利用了粉体颗粒间放 电产生的自发热作用, 因而产生了一些 SPS 过程特有的现象,如 图2所示。 放电等离子烧结(SPS)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 , 由放电产生的 高能粒子撞击颗粒间的接触部分, 使物质产生蒸发作用而起到净化 和活化作用 , 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 低金属原子的扩散自由能 , 有助 于加速原子的扩散。 放电等离子烧结(SPS)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。使脉冲集中在晶粒 结合处是SPS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。气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法 的蒸发-凝固传递是SPS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(SPS)技术 3 SPS工艺特点 与传统的粉末冶金工艺相比,SPS工艺的特点是: ? 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:SPS烛结时经充分微放电处理,烧结粉末表 面处于向度活性化状态.为此,其成形压力只需要冷压烧 结的l/10~1/20。 ? 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(SPS)技术 ? 采用石墨模具,成本低,加工方便。 ? 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,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,耗电量只相当于电阻烧结的1/10。 放电等离子烧结(SPS)技术 4 SPS技术应用 SPS可加工材料 放电等离子烧结(SPS)技术 SPS技术制备纳米材料 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技术由于烧结时间大大缩短,可以抑制晶粒的长大,因此, 有望获得致密的纳米材料。 放电等离子烧结(SPS)技术 SPS技术制备梯度功能材料 梯度功能材料 (FGMs) 是一种组成在某个方向上梯度分布的 复合材料,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 烧结温度的梯度分布。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(SPS)技术 SPS技术制备高致密度、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, 因此烧结时传热时间极短,可以忽略不计,烧结温度也大 为降低,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料。 参考文献: 王 松,谢 明,张吉明,等.放电等离子烧结技术进展 [J]. 贵金属,2012, 33(3):73-77. 冯海波,周 玉,贾德昌.放电等离子烧结技术的原理及 应用[J].材料科学与工艺,2003,11(3):327-331. Thank you !