测试干货|放电等离子体烧结技术介绍

1. 放电等离子烧结系统简介

放电等离子烧结（SPS）过程采用低电压、高电流的直流脉冲通过压头作用到烧结试样。由于该技术自身独特的烧结优势, 烧结过程中可以有效地抑制晶粒的生长, 提高材料的综合性能。 由于烧结时间短，可以快速制备多种不同性质的材料。具有“所想即所得”的特点。

SPS设备主要包括输出高电流、低电压的直流脉冲电源、压力系统、烧结气氛保障系统、工艺参数控制系统、测量系统、冷却系统以及模具、压头等装置, 待烧粉料放在模腔内, 压力（通常超过10MPa）和高达几千安培的脉冲电流施加于模具的上下压头上。系统启动后, 按照预先设定的烧结参数 ( 包括电流强度、 烧结温度、加热速度、保温时间、压力等)由计算机程序控制烧结过程。

看完这些简介，就让我们直奔今天的主题来看看SPS可以制备哪些特殊材料吧。

2. 梯度材料

梯度材料是一种组成在某个方向梯度分布的复合材料, 在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相差较大，且界面的膨胀系数不同而产生热应力， 给材料的制备带来困难，而应用SPS 方法可以很好地克服这一问题，实现烧结温 度的梯度分布。

图1Ti-TiB₂装甲切面

图1为应用于装甲战斗车辆的Ti-TiB₂装甲切面，其采用了梯度烧结技术上层TiB₂陶瓷质量分数为0.95，下层则全部为Ti，自上而下无明显分层现象，采用这种方法制作的装甲良好地结合了陶瓷的硬度大以及金属的韧性好的特点，陶瓷颗粒质量分数自上而下过度均匀。

3. 超细或纳米晶 WC-Co 硬质材料的研究

传统的WC - Co硬质材料一般需在保护气氛或真空条件下加热至液相出现的温度下进行长时间烧结，常常需要加入晶粒长大抑制剂来阻碍WC晶粒的生长，这样不仅增加了制备工艺的复杂程度，而且有可能降低产品的强度。利用SPS技术可在一定程度上避免以上问题。

图2 利用SPS技术制备的WC – Co样品的能谱图

图2为WC - Co能谱图，WC 颗粒比较均匀地分布在基体中。日本已采用 SPS技术成功开发出超细晶粒和纳米晶粒的硬质合金材料，并将其应用于印刷线路板微钻头、数码相机高精度镜头模具等，取得了良好的经济效益。

4. 放电等离子烧结在陶瓷材料制备中的应用

大量的试验研究表明，SPS方法制备的陶瓷材料与普通烧结方法相比，在降低烧结温度提高致密度的同时，烧结时间也有所缩短，从而抑制了烧结过程中晶粒长大的现象，使得陶瓷材料的强度和韧性均有所提高。下图为采用放电等离子烧结方法制备的氧化铝陶瓷产品。

图3 放电等离子烧结方法制备的氧化铝陶瓷样品

5. 块体非晶材料的制备

对于非晶形成能力相对较低的合金，其样品最大直径一般只有几毫米，大大限制了其广泛应用。利用非晶粉末在过冷液相区的大黏性流动和原子扩散的特性，施加大的压力进行低温烧结，有望制备出大尺寸和形状复杂的非晶块体。放电等离子烧结（SPS）作为一种快速烧结技术，是制备非晶或纳米晶材料的有效手段。下图4为已经成功制备出的非晶材料样品。

图4 a）为放电等离子烧结方法制备的非晶材料照片；b）为非晶材料扫描电镜图片

通过小编列举的这几个例子，各位小伙伴们是不是也想通过SPS去快速制备出脑海中设想的种种材料呢？

参考文献：

1.杨俊逸, 李小强, 郭亮, 等. 放电等离子烧结 (SPS) 技术与新材料研究[J]. 材料導報, 2006, 20(6): 94-97.
2.白玲, 赵兴宇, 沈卫平, 等. 放电等离子烧结技术及其在陶瓷制备中的应用[J]. 材料導報, 2007, 21(4): 96-99.
3.王松, 谢明, 张吉明, 等. 放电等离子烧结技术进展[J]. 贵金属, 2012 (2012 年 03): 73-77.
4.庾正伟, 刘颖, 李军, 等. 放电等离子烧结制备 FeSiB 块体非晶合金[J]. 稀有金属材料与工程, 2009, 38(A01): 44-47.

本文由材料人编辑部学术干货组seeding供稿，材料牛编辑整理。

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