測試干貨|放電等離子體燒結技術介紹

1. 放電等離子燒結系統簡介

放電等離子燒結（SPS）過程采用低電壓、高電流的直流脈沖通過壓頭作用到燒結試樣。由于該技術自身獨特的燒結優勢, 燒結過程中可以有效地抑制晶粒的生長, 提高材料的綜合性能。 由于燒結時間短，可以快速制備多種不同性質的材料。具有“所想即所得”的特點。

SPS設備主要包括輸出高電流、低電壓的直流脈沖電源、壓力系統、燒結氣氛保障系統、工藝參數控制系統、測量系統、冷卻系統以及模具、壓頭等裝置, 待燒粉料放在模腔內, 壓力（通常超過10MPa）和高達幾千安培的脈沖電流施加于模具的上下壓頭上。系統啟動后, 按照預先設定的燒結參數 ( 包括電流強度、 燒結溫度、加熱速度、保溫時間、壓力等)由計算機程序控制燒結過程。

看完這些簡介，就讓我們直奔今天的主題來看看SPS可以制備哪些特殊材料吧。

2. 梯度材料

梯度材料是一種組成在某個方向梯度分布的復合材料, 在金屬和陶瓷粘合時由于二者燒結致密的溫度相差較大，且界面的膨脹系數不同而產生熱應力， 給材料的制備帶來困難，而應用SPS 方法可以很好地克服這一問題，實現燒結溫 度的梯度分布。

圖1Ti-TiB₂裝甲切面

圖1為應用于裝甲戰斗車輛的Ti-TiB₂裝甲切面，其采用了梯度燒結技術上層TiB₂陶瓷質量分數為0.95，下層則全部為Ti，自上而下無明顯分層現象，采用這種方法制作的裝甲良好地結合了陶瓷的硬度大以及金屬的韌性好的特點，陶瓷顆粒質量分數自上而下過度均勻。

3. 超細或納米晶 WC-Co 硬質材料的研究

傳統的WC - Co硬質材料一般需在保護氣氛或真空條件下加熱至液相出現的溫度下進行長時間燒結，常常需要加入晶粒長大抑制劑來阻礙WC晶粒的生長，這樣不僅增加了制備工藝的復雜程度，而且有可能降低產品的強度。利用SPS技術可在一定程度上避免以上問題。

圖2 利用SPS技術制備的WC – Co樣品的能譜圖

圖2為WC - Co能譜圖，WC 顆粒比較均勻地分布在基體中。日本已采用 SPS技術成功開發出超細晶粒和納米晶粒的硬質合金材料，并將其應用于印刷線路板微鉆頭、數碼相機高精度鏡頭模具等，取得了良好的經濟效益。

4. 放電等離子燒結在陶瓷材料制備中的應用

大量的試驗研究表明，SPS方法制備的陶瓷材料與普通燒結方法相比，在降低燒結溫度提高致密度的同時，燒結時間也有所縮短，從而抑制了燒結過程中晶粒長大的現象，使得陶瓷材料的強度和韌性均有所提高。下圖為采用放電等離子燒結方法制備的氧化鋁陶瓷產品。

圖3 放電等離子燒結方法制備的氧化鋁陶瓷樣品

5. 塊體非晶材料的制備

對于非晶形成能力相對較低的合金，其樣品最大直徑一般只有幾毫米，大大限制了其廣泛應用。利用非晶粉末在過冷液相區的大黏性流動和原子擴散的特性，施加大的壓力進行低溫燒結，有望制備出大尺寸和形狀復雜的非晶塊體。放電等離子燒結（SPS）作為一種快速燒結技術，是制備非晶或納米晶材料的有效手段。下圖4為已經成功制備出的非晶材料樣品。

圖4 a）為放電等離子燒結方法制備的非晶材料照片；b）為非晶材料掃描電鏡圖片

通過小編列舉的這幾個例子，各位小伙伴們是不是也想通過SPS去快速制備出腦海中設想的種種材料呢？

參考文獻：

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本文由材料人編輯部學術干貨組seeding供稿，材料牛編輯整理。

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