放电等离子烧结技术的发展和应用doc12

1、.：.；放电等离子烧结技术的开展和运用1前言 随着高新技术产业的开展,新型资料特别是新型功能资料的种类和需求量不断添加,资料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结(,简称)是制备功能资料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织构造可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属资料、陶瓷资料、复合资料,也可用来制备纳米块体资料、非晶块体资料、梯度资料等。 2国内外的开展与运用情况 技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进展加热烧结,因此在有的文献上也被称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结(-或-)1,2。早在1930年,美国科学家就提出了脉冲电流烧结原理,但是直到1965年,脉冲电流烧结技术才在

2、美、日等国得到运用。日本获得了技术的专利,但当时未能处理该技术存在的消费效率低等问题,因此技术没有得到推行运用。 1988年日本研制出第一台工业型安装,并在新资料研讨领域内推行运用。1990年以后,日本推出了可用于工业消费的第三代产品,具有10100的烧结压力和脉冲电流50008000。最近又研制出压力达500,脉冲电流为25000的大型安装。由于技术具有快速、低温、高效率等优点,近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了烧结系统,并利用进展新资料的研讨和开发3。1998年瑞典购进烧结系统,对碳化物、氧化物、生物陶瓷等资料进展了较多的研讨任务4。 国内近三年也开展了用技术制备新资料的研讨任务1,

3、3,引进了数台烧结系统,主要用来烧结纳米资料和陶瓷资料58。作为一种资料制备的全新技术,已引起了国内外的广泛注重。 3的烧结原理 31等离子体和等离子加工技术9,10 是利用放电等离子体进展烧结的。等离子体是物质在高温或特定鼓励下的一种物质形状,是除固态、液态和气态以外,物质的第四种形状。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。 等离子体是解离的高温导电气体,可提供反响活性高的形状。等离子体温度400010999,其气态分子和原子处在高度活化形状,而且等离子气体内离子化程度很高,这些性质使得等离子体成为一种非常重要的资料制备和加工技术。 等离子体

4、加工技术已得到较多的运用,例如等离子体、低温等离子体以及等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子刻蚀方面,在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定运用。而等离子体的另一个很有潜力的运用领域是在陶瓷资料的烧结方面1。 产生等离子体的方法包括加热、放电和光鼓励等。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。利用的是直流放电等离子体。 32安装和烧结根本原理 安装主要包括以下几个部分:轴向压力安装;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、位移丈量、温度丈量和平安等控制单元。的根本构造如图1所示。 与热压()有类似之处,但加热方式完全

5、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、焦耳热和电场分散作用11。烧结时脉冲电流经过粉末颗粒如图2所示。在烧结过程中,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本身产生焦耳热并使颗粒外表活化。与本身加热反响合成法()和微波烧结法类似,是有效利用粉末内部的本身发热作用而进展烧结的。这种放电直接加热法,热效率极高,放电点的弥散分布可以实现均匀加热,因此容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综协作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的要素外,在

6、技术中,颗粒间的有效放电可产生部分高温,可以使外表部分熔化、外表物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击去除了粉末颗粒外表杂质(如去除表层氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快分散过程1,9,12。 4的工艺优势 的工艺优势十清楚显:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,消费效率高,产品组织细小均匀,能坚持原资料的自然形状,可以得到高致密度的资料,可以烧结梯度资料以及复杂工件等3,11。与和相比,安装操作简单、不需求专门的熟练技术。文献11报道,消费一块直径100、厚17的2(3)/不锈钢梯度资料()用的总时间是58,其中升温时间28、保温时间5和冷却时间25。与相比,技术的烧结温度可降

7、低10020013。 5在资料制备中的运用 目前在国外,尤其在日本开展了较多用制备新资料的研讨,部分产品已投入消费。可加工的资料种类如表1所示。除了制备资料外,还可进展资料衔接,如衔接2与石墨14,2/等15。 近几年,国内外用制备新资料的研讨主要集中在:陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物,复合资料纳米资料和功能资料等方面。其中研讨最多的是功能资料,它包括热电资料16、磁性资料17,功能梯度资料18,复合功能资料19和纳米功能资料20等。对制备非晶合金、外形记忆合金21、金刚石等也作了尝试,获得了较好的结果。 51功能梯度资料 功能梯度资料()的成分是梯度变化的,各层的烧结温度不同,利用传统的烧结方

8、法难以一次烧成。利用、等方法制备梯度资料,本钱很高,也很难实现工业化。采用阶梯状的石墨模具,由于模具上、下两端的电流密度不同,因此可以产生温度梯度。利用在石墨模具中产生的梯度温度场,只需求几分钟就可烧结好成分配比不同的梯度资料。目前胜利制备的梯度资料有:不锈钢/2;/2;/高聚物;/植物纤维;/等梯度资料。 在自蔓延熄灭合成()中,电场具有较大激活效应和作用,特别是场激活效应可以使以前不能合成的资料也能胜利合成,扩展了成分范围,并能控制相的成分,不过得到的是多孔资料,还需求进一步加工提高致密度。利用类似于电场激活作用的技术,对陶瓷、复合资料和梯度资料的合成和致密化同时进展,可得到65的纳米晶,

9、比少了一道致密化工序22。 利用可制备大尺寸的,目前制备的尺寸较大的体系是2(3)/不锈钢圆盘,尺寸已到达1001723。 用普通烧结和热压粉末时必需参与添加剂,而使烧结纯成为能够。用制备的/梯度资料的维氏硬度()和断裂韧度分别到达了24和61/2,大大减轻由于和的热膨胀不匹配而导致热应力引起的开裂24。 52热电资料 由于热电转换的高可靠性、无污染等特点,最近热电转换器引起了人们极大的兴趣,并研讨了许多热电转换资料。经文献检索发现,在制备功能资料的研讨中,对热电资料的研讨较多。 (1)热电资料的成分梯度化是目前提高热电效率的有效途径之一。例如,成分梯度的2就是一种比较有出路的热电资料,可用于

10、200900之间进展热电转换。2没有毒性,在空气中有很好的抗氧化性,并且有较高的电导率和热电功率。热电资料的质量因数越高(=2/,其中是质量因数,为系数,为导热系数,为资料的电阻率),其热电转换效率也越高。实验阐明,采用制备的成分梯度的(含量可变),比2的热电性能大为提高25。这方面的例子还有/23/26,227,4328,钨硅化物29等。 (2)用于热电致冷的传统半导体资料不仅强度和耐久性差,而且主要采用单向生长法制备,消费周期长、本钱高。近年来有些厂家为理处理这个问题,采用烧结法消费半导体致冷资料,虽改善了机械强度和提高了资料运用率,但是热电性能远远达不到单晶半导体的性能。如今采用消费半导

11、体致冷资料,在几分钟内就可制备出完好的半导体资料,而晶体生长法却要十几个小时。制备半导体热电资料的优点是,可直接加工成圆片,不需求单向生长法那样的切割加工,节约了资料,提高了消费效率。 热压和冷压-烧结的半导体性能低于晶体生长法制备的性能。现用于热电致冷的半导体资料的主要成分是,和,目前最高的值为3010-3/,而用制备的热电半导体的值已到达293010-3/,几乎等于单晶半导体的性能30。表2是和其它方法消费资料的比较。 53铁电资料 用烧结铁电陶瓷3时,在9001000下烧结13,烧结后平均颗粒尺寸1,相对密度超越98%。由于陶瓷中孔洞较少31,因此在101106之间介电常数根本不随频率而

12、变化。 用制备铁电资料4312陶瓷时,在烧结体晶粒伸长和粗化的同时,陶瓷迅速致密化。用容易得到晶粒取向度好的试样,可察看到晶粒择优取向的4312陶瓷的电性能有剧烈的各向异性32。 用在900烧结制备的3陶瓷,其晶粒尺寸接近20033。用制备铁电置换半导体陶瓷,使铁电相变温度提高到470,而以前冷压烧结陶瓷只需33034。 54磁性资料 用烧结磁性合金,假设在较高温度下烧结,可以得到高的致密度,但烧结温度过高会导致出现相和晶粒长大,磁性能恶化。假设在较低温度下烧结,虽能坚持良好的磁性能,但粉末却不能被完全压实,因此要详细研讨密度与性能的关系35。 在烧结磁性资料时具有烧结温度低、保温时间短的工艺

13、优点。在650下保温5,即可烧结成接近完全密实的块状磁体,没有发现晶粒长大36。用制备的8656435和24的复合资料(850,130),具有高的饱和磁化强度=12和高的电阻率=110-237。以前用快速凝固法制备的软磁合金薄带,虽已到达几十纳米的细小晶粒组织,但是不能制备成合金块体,运用遭到限制。而如今采用制备的块体磁性合金的磁性能已到达非晶和纳米晶组织带材的软磁性能3。 55纳米资料 致密纳米资料的制备越来越遭到注重。利用传统的热压烧结和热等静压烧结等方法来制备纳米资料时,很难保证能同时到达纳米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用技术,由于加热速度快,烧结时间短,可显著抑制晶粒粗化。例如:用平

14、均粒度为5的粉经烧结(1963,196382,烧结5),可得到平均晶粒65的密实体3。文献3中援用有关实例阐明了烧结中晶粒长大遭到最大限制的抑制,所制得烧结体无疏松和明显的晶粒长大。 烧结时,虽然所加压力较小,但是除了压力的作用会导致活化能降低外,由于存在放电的作用,也会使晶粒得到活化而使值进一步减小,从而会促进晶粒长大,因此从这方面来说,用烧结制备纳米资料有一定的困难。 但是实践上已有胜利制备平均晶粒度为65的密实体的实例。在文献38中,非晶粉末用烧结制备出2030的9073纳米磁性资料。另外,还已发现晶粒随烧结温度变化比较缓慢7,因此制备纳米资料的机理和对晶粒长大的影响还需求作进一步的研讨

15、。 56非晶合金的制备 在非晶合金的制备中,要选择合金成分以保证合金具有极低的非晶构成临界冷却速度,从而获得极高的非晶构成才干。在制备工艺方面主要有金属模浇铸法和水淬法,其关键是快速冷却和控制非均匀形核。由于制备非晶合金粉末的技术相对成熟,因此多年来,采用非晶粉末在低于其晶化温度下进展温挤压、温轧、冲击(爆炸)固化和等静压烧结等方法来制备大块非晶合金,但存在不少技术难题,如非晶粉末的硬度总高于晶态粉末,因此压制性能欠佳,其综合性能与旋淬法制备的非晶薄带相近,难以作为高强度构造资料运用39。可见用普通粉末冶金法制备大块非晶资料存在不少技术难题。 作为新一代烧结技术有望在这方面获得进展,文献40中

16、利用烧结由机械合金化制取的非晶基粉末得到了块状圆片试样(102),此非晶合金是在375下503时保温20制备的,含有非晶相和结晶相以及剩余的相。其非晶相的结晶温度是533。文献41中用脉冲电流在423和500下制备了801055块状非晶合金,经分析其中主要是非晶相。非晶合金比291合金和纯镁有较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度,非晶化改善了镁合金的抗腐蚀抗力。从实际来看,可以采用烧结法制备块状非晶合金。因此利用先进的技术进展大块非晶合金的制备研讨很有必要。 6总结与展望 放电等离子烧结()是一种低温、短时的快速烧结法,可用来制备金属、陶瓷、纳米资料、非晶资料、复合资料、梯度资料等。的推行运用将在新资料的研讨和消费领域中发扬重要作用。 的根