放电等离子烧结技术制备致密高温陶瓷材料材料合成化学课件

放电等离子烧结技术制备致密高温陶瓷材料 CompanyLogo Structure 放电等离子烧结 SPS 的原理SPS的技术特点和应用概述SPS的应用举例超高温结构陶瓷高居里点铁电多晶陶瓷总结 CompanyLogo Reference 1 2 3 4 5 HaixueYan etal Alead freehighcuriepointferroelectricceramics CaBi2Nb2O9 Adv Mater 2005 17 1261 1265 AlidaBellosi etal FastDensificationofUltra High TemperatureCeramicsbySparkPlasmaSintering InternationalJournalofAppliedCeramicTechnologyVol 3 No 1 2006 M Gasch etal Processing PropertiesandArc JetOxidationofHafniumDiboride SiliconCarbideUltra HighTemperatureCeramics J Mater Sci 2004 39 5925 5937 LinD etal Synthesisandpiezoelectricpropertiesoflead freePiezoelectric Bi0 5 Na1 x yKxLiy 0 5 TiO3ceramics MaterialsLetters 2004 58 615 618 WilliamG Fahrenholtz ReactiveProcessinginCeramic BasedSystems Int J Appl Ceram Technol 2006 3 1 1 12 CompanyLogo 放电等离子烧结 SPS 的原理SPS的技术特点和应用概述SPS的应用举例超高温结构陶瓷高居里点铁电多晶陶瓷总结 CompanyLogo SPS的工作原理 放电等离子烧结 sparkplasmasintering SPS 是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术 也称等离子活化烧结 plasmaactivatedsintering PAS 放电等离子烧结法 SPS法 通过在压粉坯粉粒间隙送入脉冲电能 将火花放电瞬时产生的高温等离子 放电等离子 的高热能有效地应用于热扩散和电场扩散等 在由低温升到2000 以上的超高温下 保温大约在5至20min左右的短时间内即能完成 烧结 或 烧结结合 雷电 电焊 CompanyLogo SPS发展历史 1930年美国科学家提出脉冲电流烧结原理 但直到日本于1988年研制出第一台工业型SPS装置 该技术才真正引起世人的关注 ED PAS III放电等离子活化烧结炉 放电等离子烧结SPS 100由日本住友石碳矿业 株式会社 制造 SPS 1050的最高烧结温度为2000 最大压力10吨 升温及保温时间由温度反馈自动控制 测温方式有红外测温 600 3000 及热电偶测温 0 1200 二种方式 CompanyLogo SPS装置的结构示意图 图1为其装置简图 图2为SPS的电压 电流及外加压力与烧结时间的关系曲线 其电流曲线主要由三段组成 1 脉冲大电流 2 稳态小电流 3 停止放电间隙 在稳态电流阶段 仅施加很小的压力 放电间隙阶段施加大压力 CompanyLogo 放电等离子烧结 SPS 的原理SPS的技术特点和应用概述SPS的应用举例超高温结构陶瓷高居里点铁电多晶陶瓷总结 CompanyLogo SPS与传统烧结方法的比较 SPS的独特优点 传统烧结时 颗粒表面具有惰性膜 且颗粒间无主动作用力 因而烧结时间较长 SPS技术克服了上述缺点 具有如下烧结特点 1 烧结温度低 烧结时间短 可获得细小 均匀的组织 2 能获得高致密度材料 3 能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂结构 4 操作容易 不要求熟练技术 共同点 CompanyLogo SPS的技术特点 集粉末成形和烧结于一体 不需要预先成形 也不需要任何添加剂和粘结剂主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清除粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体 净化材料 活化粉末表面 提高粉末表面的扩散能力较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密化有关研究表明 该技术由于场活化等作用在较大程度上降低了粉体的烧结温度 缩短了烧结时间 并充分利用了粉末自身发热的作用 热效率极高 加热均匀 可通过一次成形获得高精度 均质 致密 含氧量低和晶粒组织细小的零件 CompanyLogo SPS技术在材料制备中的应用 纳米材料的制备作为一种独特的材料体系 已引起广泛的重视 其中 机械合金化是制备平衡相与非平衡相纳米尺寸颗粒的有效方法之一 但把机械合金化粉末制备成保持纳米晶粒尺寸的块体材料却面临挑战 利用传统的热压烧结 热等静压等方法 很难既保持晶粒的纳米尺寸 又达到完全致密的要求 利用SPS技术 可有效地阻止纳米晶粒长大 同时达到密度要求 因为SPS加热迅速 合成时间短 抑制晶粒粗化 梯度功能材料的制备由于梯度功能材料的组份是梯度变化的 各层的烧结温度不同 利用传统烧结方法难以一次烧成 利用CVD PVD等方法制备梯度材料 费用昂贵 很难实现工业应用 SPS技术为制备梯度功能材料提供了新的途径 磁性材料的制备高温陶瓷材料的制备 CompanyLogo 放电等离子烧结 SPS 的原理SPS的技术特点和应用概述SPS的应用举例结构陶瓷 超高温陶瓷 UHTCs 功能陶瓷 高居里点铁电多晶陶瓷CBNO总结 CompanyLogo SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 超高温陶瓷 UHTCs Ultra High TemperatureCeramics 典型代表 前过渡金属的硼化物 氮化物 碳化物如 ZrB2 HfB2 HfC HfN特殊性能 耐热 高温下强度大 稳定性好 抗热冲击烧结温度 2000 以上常用烧结方法 SPS 热压 HP 自蔓延法应用场合 航天飞机隔热瓦 导弹机翼的阻热材料 CompanyLogo 实验体系 A HfB2 SiCHfB2 30SiC A SPS HfB2 20SiC 3HfN A HP B ZrB2 MoSi2ZrB2 15MoSi2 B SPS ZrB2 15MoSi2 B HP C ZrB2 ZrC SiC60ZrB2 30ZrC 10SiC C SPS 96 3 60ZrB 30ZrC 10SiC 3 7Si3N4 C HP SPS 放电等离子烧结 HP 热压 SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 CompanyLogo InternationalJournalofAppliedCeramicTechnologyVol 3 No 1 2006 SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 烧结条件 CompanyLogo Fig 1 Relativedensity rd versustimeofA sparkplasmasinteringandA hotpressing Thedotpartofthedensificationcurvescoverstheisothermalstages InternationalJournalofAppliedCeramicTechnologyVol 3 No 1 2006 与热压烧结的致密化温度相比 放电等离子超快速烧结极大地缩短了烧结时间 SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 控温曲线 控温曲线 CompanyLogo SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 杂质相减少 普通热压法引入助熔剂 造成产物不纯 SPS等离子体清洗颗粒表面 提高活性 不需助熔剂A HfB2 SiCHfB2 30SiC A SPS HfB2 20SiC 3HfN A HP A HP产物中还有BN Hf C N Hf Si C OC ZrB2 ZrC SiC60ZrB2 30ZrC 10SiC C SPS 96 3 60ZrB 30ZrC 10SiC 3 7Si3N4 C HP C HP的产物中还有BN B C N O Si Zr CompanyLogo SPS的应用 1 烧结超高温陶瓷 比较结果 SPS所用时间远少于HP 制备所得材料杂质相少 产物纯度高 致密度两者差不多 SPS的成本高于HP CompanyLogo SPS的应用 2 烧结高温铁电陶瓷 CaBi2Nb2O9 CBNO 微观组织 Aurivillius结构 铋层状铁电陶瓷 各向异性性能 高温铁电材料 居里温度超过800 对比实验 SPS和普通烧结 OF 典型器件 FRAM 非易失铁电随机存取存储器 世界顶尖的非易失性铁电存储器 FRAM 和集成半导体产品供应商RamtronInternational发布全球第一款嵌入了非易失性FRAM存储器的8051MCU VRS51L3074 CompanyLogo 按化学计量配比 粉料在950 煅烧4h 将CBNO粉料放入石墨模具中 加上100Mpa的压力在950 保温3min 得到致密陶瓷 直径为12mm厚度为7 3mm的圆柱形致密陶瓷块体接着被放入另一个内径为20mm的石墨模具中 并于1150 温度下加压40Mpa 使其应变达到67 普通烧结 ordinaryfiring CBNO样品在流动的空气气氛中以1065 保温烧结1h SPS的加热速度为100 min 为除去制备样品中的碳 接着在1000 退火4h CaBi2Nb2O9陶瓷的烧结流程 SPS的应用 2 烧结高温铁电陶瓷 CompanyLogo SEM二次电子像a SPS垂直于热压方向b SPS平行于热压方向c