放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering）即SPS，是将金属、陶瓷等粉末装入模具内，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、热塑变形和冷却而完成，是制取高性能材料的一种粉末冶金烧结技术。

 

    放电等离子烧结系统能够实现在烧结过程中加压，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末的烧结温度。具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点。

 

脉冲电流通过粉末粒子

 

SPS在材料制备中的应用

 

    由于SPS独特的烧结机理，SPS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，SPS技术已广泛应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、磁性材料、复合材料、陶瓷等材料的制备。

 

 

纳米材料

 

    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。利用SPS能快速降温这一特点来控制烧结过程的反应历程，避免一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中的缺陷和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在更广泛的意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特别有利于制备纳米材料。

 

梯度功能材料

 

    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。

 

高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷

 

    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。

 

磁性材料

 

    用SPS烧结NdFeB磁性合金，如果在较高的温度下烧结，可以得到高的致密度，但是烧结温度过高会出现α相和晶粒长大，磁性能恶化。若在较低温度下烧结，虽能保持较好的磁性能，但是粉末不能被完全压实。SPS工艺具有烧结温度低、保温时间短的工艺优点。以前用快速凝固法制备的软磁合金薄带，虽然已经达到几十纳米的细小晶粒组织，但是很难制备成合金块体，应用受到很大的限制，而现在采用SPS制备的块体磁性合金的磁性能能够达到非晶和纳米晶组织带材的软磁性能。

 

非晶材料

 

    在非晶合金的制备中，常采用金属模浇铸法和水淬法来获得较高的冷却速率，从而得到非晶组织，之后采用在晶化温度以下进行温挤压，温轧，冲击固化和等静压烧结的方法来制备大块非晶合金，但是存在很多问题，例如长时间的加热过程会使得非晶组织产生晶粒长大，从而恶化性能。SPS有望在这方面取得进展，目前的研究认为，SPS在烧结的过程中，加热固化的行为发生在晶化之前，即就是在该过程中，合金的固化发生速度领先于晶化。

 

总结和展望

 

    放电等离子烧结（SPS）是一种低温、短时的快速烧结法，在新材料的制备和研究中发挥着重要的作用。为了满足未来的研发需求，SPS设备需要增加更多的功能性和脉冲电流容量等，以便满足更大的产品需求和生产应用，特别是全自动化的SPS生产系统，以满足复杂形状、高性能产品和三维梯度功能材料的生产需要，也需要研制比目前使用的石墨模具强度更高、重复利用率更好的新型模具材料，以提高模具的承载能力和降低成本，在工艺方面，需要建立模具温度和工件实际温度的关系，以便更好的控制产品质量。

 

上海皓越研发生产的SPS设备

 

    皓越科技是一家集研发、生产、销售电炉为一体的高新技术企业。公司一直专注于半导体材料、碳材料、先进陶瓷与复合材料和锂电材料四大领域，拥有丰富的行业经验和专业技术，竭诚服务于客户，提供完善的一体化产业解决方案。