等离子烧结技术

等离子烧结技术序---等离子体放电等离子体等离子体广泛存在于宇宙空间，从电离层到宇宙深处物质几乎都是电离状态，宇宙空间99%是等离子体；地球表面几乎没有自然存在的等离子体，只有闪电、气体放电等过程中出现等离子气体。等离子体烧结合成技术等离子体技术发展等离子体烧结原理等离子体烧结工艺等离子烧结技术的应用等离子体技术发展等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态，形成电子、离子组成的体系，这种有大量带电粒子（有时还有中心离子）组成的体系即为等离子体。等离子体是物质纯在的第4种状态，称为物质第四态。等离子体技术发展等离子体英文词“Plasma”源予希腊文“πλασμα”，是1928年朗缪尔把辉光放电产生的电离气体命名为“Plasma”而引入的；中文译词“等离子体”（台湾称“电浆”）其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性（准电中性）；19世纪30年代气体放电管中电离气体的应用研究；20世纪30年代到50年代初初步建立了等离子体物理的基本理论框架和描述方法，同时把研究范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离层和天体；20世纪50年代起，在热聚变研究和空间技术研究的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展并成熟起来；20世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物理学独立分支学科。等离子体技术发展放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式

等离子体电离气体普通气体等离子体放电等离子体定义必须指出，并非任何带电粒子组成的体系都是等离子体，只有具备了等离子体特性的带电粒子体系，才可称为等离子体。等离子体是由大量正负带电粒子组成的(有时还有中性粒子)、在空间尺度和时间尺度具有准电中性的、在电磁场及其他长程力作用下粒子的运动和行为以集体效应为主的体系。等离子体技术发展等离子体技术发展---分类电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温

等离子体冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯低温

等离子体等离子体技术发展

电子温度和离子温度相等时，等离子体在宏观上处于热力学平衡状态，因体系温度可达上万度，故称为高温等离子体。低温等离子体电子温度>>离子温度，电子温度可达上万度，而离子和中性粒子的温度却可低至室温，因此，整个体系的表观温度还是很低，故又称为低温等离子体。高温等离子体等离子体技术发展--应用日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹等离子体技术发展低温冷等离子体形成方法真空条件下直流辉光放电真空条件下的射频辉光放电真空条件下的微波等离子体电晕放电大气等离子体炬大气条件下的介质层放电等离子体烧结原理烧结原理放电等离子体烧结（SparkPlasmaSintering）简称SPS，是一种快速粉末烧结方式。它利用脉冲电流加热烧结，具有加热均匀、升温速度快、烧结温度低、致密度高等特点，适用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、复合材料、陶瓷材料等材料的烧结。致密化等离子体烧结原理

等离子体烧结技术（SPS）是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术，简称SPS技术，也称等离子活化烧结（PAS）、等离子体辅助烧结（PAS）。等离子体烧结原理15在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结

等离子活化烧结(PlasmaActivatedSinteriny,PAS)等离子体辅助烧结（PlasmaAssisterSinteriny,PAS）

放电等离子烧结（SPS）技术

等离子体烧结原理SPS烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧结的中间过程还有待于进一步研究；SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：粉末颗粒微区还存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，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。等离子体烧结原理目前一般认为：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。放电等离子体形成的机理示意图等离子体烧结原理等离子体烧结原理第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化;第三，ON-OFF快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化。使脉冲集中在晶粒结合处是SPS过程的一个特点。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。等离子体烧结装备1988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；1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10~100t的烧结压力和5000~8000A脉冲电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发；1996年，日本组织了产学官联合的SPS研讨会，并每年召开一次；2000年，清华大学引进SPS烧结技术，引导中国等离子体烧结技术和装备的进步；2015年，清华大学再次同时购置2台SPS-211Lx设备（第四代）………清华大学两台放电等离子烧结设备从日本出港仪器信息网

2015/04/2107:55:20

清华大学继2000年首次购置日本富士SPS-1050T以来取得了一系列令人瞩目的成果。时隔15年后，2015年再次同时购置2台SPS-211Lx设备。等离子体烧结装备“工欲善其事，必先利其器”等离子体烧结装备等离子体烧结设备及工作原理等离子体烧结工艺粉末装模模压放电活化放电烧结塑性变形冷却等离子体烧结模具石墨模具金属模具石墨模具重量的损失很小，热膨胀系数也很小。高硬度，高强，耐腐蚀，耐高温和膨胀系数小

非常稳定的氧化物、或碳(氮)化物，陶瓷模具的优点是使用温度高，强度高、硬度高、防潮、耐磨、耐污、耐腐蚀、耐高温、易清洗、变形小、绝缘性好，具有一定的抗急冷急热性能。等离子体烧结材料体系分类举例金属系Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni、Cr、Mo、Su、Ti、W、Be陶瓷系氧化物Al2O3,ZrO2,MgO,SiO2,TiO2,HfO2碳化物SiC,B4C,TaC,WC,ZrC,VC氮化物Si3N4,TaN,TiN,AlN,ZrN,VN硼化物TiB2,HfB2,LaB6,ZrB2,VB2氟化物LiF,CaF2,MgF2金属陶瓷Si3N4+Ni,Al2O3+NiAl2O3+TiC,SuS+ZrO2,Al2O3+SuSSuS+WC/Co,BN+Fe,WC+Co+Fe金属间化合物TiAl,MoSi2,Si3Zr5,NiAl,

NbCo,

NbAl,

LaBaCuO4其它有机材料(聚酰亚胺等)，复合材料等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺流程等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺流程

在进行具体的试验操作时，将试样装入石墨模具中，模具置于上下电极之间，通过油压系统加压，然后对腔体抽真空，达到要求的真空度后通入脉冲电流进行实验。脉冲大电流直接施加于导电模具和样品上，通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离子体，粉末颗粒表面被活化、发热，同时，通过模具的部分电流加热模具，使模具开始对试样传热，试样温度升高，开始收缩，产生一定的密度，并随着温度的升高而增大，直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺流程SPS过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至1万度的局部高温，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汽压低于其他部位。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。等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺特征第一：致密度高。晶粒受脉冲电流和垂直单向压力的作用，加强体扩散和晶界扩散，可以加速致密化的进程。晶粒的空隙处放电时，会产生高达几千度至一万度的局部高温，在晶粒表面引起蒸发和熔化，促进材料的烧结。

第二：烧结温度较低。相比普通烧结方法，放电等离子体烧结装置可以在较低的温度下烧结成型。高温烧结，容易破坏样品结构，促进晶粒长大，导致样品的热性能不佳。

第三：烧结速度快。普通烧结方法需要数小时甚至数十个小时才能反应生成。而放电等离子体烧结装置可以在几分钟内烧结成型，可以极大地缩短制备时间，提高效率。等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺优势

材料类别传统烧结SPS纳米材料难以保证纳米尺寸，又达到完全致密性合成时间短，抑制晶粒粗化，降温速度快，粉末中亚结构可以保存梯度功能材料难以一次烧结成功，成本高成本低，可烧结十几层金属间化合物需高能量、真空，需二次加工低温、快速烧结高致密度、细晶粒陶瓷效果难以保证低温、快速烧结

不同烧结工艺比较新型SPS烧结装备等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺等离子体烧结工艺参数的影响

温度时间压力冷却速率气氛等离子体烧结技术应用纳米材料梯度功能材料金属材料磁性材料复合材料陶瓷材料34传统的热压烧结、热等静压等方法制备纳米材料，很难保证晶粒的纳米尺寸，又达到完全致密的要求。利用SPS技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。利用SPS技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。等离子体烧结技术制备纳米材料35梯度功能材料(FGM)是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用CVD,PVD等方法制备梯度材料，成本很高，也很难实现工业化生产。通过SPS技术可以很好地克服这一难点。SPS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，实现烧结温度的梯度分布。

等离子体烧结技术制备梯度材料36采用SPS技术可以制作SiGe，PbTe，BiTe，FeSi，CoSb3等体系的热电转化元件，以及广泛用于电子领域的各种功能材料，如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。等离子体烧结技术制备电磁材料37金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此制备或生产需要特殊的过程。利用熔化法（电火花熔化、电阻熔化、感应熔化等）制备金属间化合物往往需要高能量、真空系统，而且需要进行对其二次加工（锻造）。利用SPS技术制备金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用和表面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以SPS技术为制备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用SPS技术已制备的金属间化合物体系有：Ti-Al体系、Mo-Si体系、Ni-Al体系等。等离子体烧结技术制备金属间化合物38在SPS过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的空隙本身都可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传热过程在SPS过程中可以忽略不计。因此烧结时间可以大为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒陶瓷，SPS是一种很有优势的烧结手段。等离子体烧结技术制备细晶陶瓷39目前，SPS技术也已成功地应用于金属基复合材料（MMC）、非晶合金、生物材料、超导材料和多孔材料等各种新材料的制备，并获得了较为优异的性能。同时，SPS在硬质合金的烧结，多层金属粉末的同步连接（bonding）、陶瓷粉末和金属粉末的连接以及固体-粉末-固体的连接方面也已有了广泛的应用。等离子体烧结技术制备其他材料等离子体烧结技术与材料基因组织“Tohelpbusinessesdiscover,develop,anddeploynewmaterials