放电等离子体烧结技术(SPS)

1、课程：材料合成与课程：材料合成与制备制备Spark Plasma Sintering（SPS）放电等离子体烧结技术放电等离子体烧结技术1目录目录1. 放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）简介）简介2. 放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的基本原理）的基本原理3. 放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的优缺点）的优缺点4. 放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的应用）的应用2放电等离子体放电等离子体烧结（烧结（SPS）简介）简介1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，直到年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，直到1965年，脉冲电年，脉冲电流烧结技术才

2、在美、日等国得到应用。日本获得了流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了SPS技术的专利，但当时未能技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。技术没有得到推广应用。SPS技术的推广应用是从上个世纪技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。年代末期开始的。1988年日本研制出第一台工业型年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广应用。装置，并在新材料研究领域内推广应用。由于由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国内外许多大学和科研机技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国内

3、外许多大学和科研机构都相继配备了构都相继配备了SPS烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用并利用SPS进行新材料的开发和研究。进行新材料的开发和研究。2000年年6月武汉理工大学购置了国内首台月武汉理工大学购置了国内首台SPS装置。装置。随后上海硅酸盐研究所、清华大学、武汉大学等高校及科研机构也相继引进了随后上海硅酸盐研究所、清华大学、武汉大学等高校及科研机构也相继引进了SPS装置，用来进行相关的科学研究。装置，用来进行相关的科学研究。SPS的发展的发展3放电等离子体放电等离子体烧结（烧结（SPS）简介）简介放电等离子烧结

4、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称简称SPS)工艺是将金属等粉末装入工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。种新的粉末冶金烧结技术。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉

5、末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。能使粉末快速烧结致密。4放电等离子体烧结（放电等离子体烧结（SPS）的基本原理）的基本原理放电等离子体烧结系统示意图放电等离子体烧结系统示意图5放电等离子体烧结（放电等离子体烧结（SPS）的基本原理）的基本原理放电过程中粉末粒子对的模型放电过程中粉末粒子对的模型粉末颗粒微区存在电场诱粉末颗粒微区存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子子体，由放电产生的高能粒子撞击颗

6、粒间的接触部分，使物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，电能贮存在颗粒团活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇的介电层中，介电层发生间歇式快速放电，在粉末颗粒未接式快速放电，在粉末颗粒未接触部位触部位产生自发热。产生自发热。6放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的的优缺点优缺点放电等离子烧结放电等离子烧结(SPS)技术具有在较低温度下实现快速烧结致密材技术具有在较低温度下实现快速烧结致密材料的特点，与传统烧结方法相比，不仅可以节约能源、节省时间、提高料的特点，与传统烧结方法相比，不仅可以节约能源、节省时间、提高设备效率，而且

7、所得的烧结体晶粒均匀、致密度高、力学性能好，这对设备效率，而且所得的烧结体晶粒均匀、致密度高、力学性能好，这对于工业生产和科学研究来说，在节约能源、提高生产效率方面都有极为于工业生产和科学研究来说，在节约能源、提高生产效率方面都有极为重要的意义。重要的意义。 但是但是SPS的基础理论目前尚不完全清楚，需要进行大量实践与理论的基础理论目前尚不完全清楚，需要进行大量实践与理论研究来完善，研究来完善，SPS需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量，以便做需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量，以便做尺寸更大的产品；特别需要发展全自动化的尺寸更大的产品；特别需要发展全自动化的SPS生产系统，以满足复杂生

8、产系统，以满足复杂形状、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要。形状、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要。7放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的应用）的应用 由于其独特的烧结机理，由于其独特的烧结机理，SPS技术具有升温速度快、技术具有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点，烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点，SPS已广已广泛应用于泛应用于纳米材料纳米材料、梯度功能材料梯度功能材料、金属材料金属材料、磁性材磁性材料料、复合材料复合材料、陶瓷等材料陶瓷等材料的制备的制备。等离子体烧结技术的适用范围等离子体烧结技术的适用范围8放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）的应用）的应用Materials Letters, Volume 196, 1 June 2017, Pages 403-405将将1700 C下用下用SPS分别烧结分别烧结3 min和和5 min的样品与常规方法在的样品与常规方法在1500 C烧结烧结72