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放電等離子體燒結(jié)：高技術(shù)陶瓷制備的福音

來(lái)源：時(shí)間：2023-12-12 10:20:08 瀏覽：4228次

放電等離子燒結(jié)（SPS）是電流活化/輔助燒結(jié)技術(shù)的一種，通過(guò)機(jī)械壓力、電場(chǎng)和熱場(chǎng)相結(jié)合，增強(qiáng)粒子間的結(jié)合和致密化。放電等離子燒結(jié)采用了與熱壓工藝相同的沖壓/模具系統(tǒng)概念：粉體放在模具中，壓在兩個(gè)反向滑動(dòng)的沖頭之間，機(jī)械載荷通常是單軸的。

但是，兩者在加熱方式上有著根本上的不同，熱壓燒結(jié)通過(guò)發(fā)熱體輻射加熱，放電等離子燒結(jié)是通過(guò)模具或樣品的電流產(chǎn)生焦耳熱。這種加熱方式可以獲得高達(dá)1000℃/min的升溫速率，大大縮短了升溫時(shí)間。

此外，電流還可通過(guò)激活一個(gè)或多個(gè)并行機(jī)制來(lái)增強(qiáng)粉體燒結(jié)，例如表面氧化物去除、電遷移和電塑性。電流的應(yīng)用和較高的升溫速率是放電等離子燒結(jié)技術(shù)的最典型特征。

SPS燒結(jié)裝置示意圖

上世紀(jì)90年代，日本實(shí)現(xiàn)了SPS設(shè)備的實(shí)用化之后，SPS在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的發(fā)展。目前，我國(guó)和日本依然是SPS設(shè)備的使用與研究最多的國(guó)家。SPS小型設(shè)備已經(jīng)實(shí)用化，大大降低了購(gòu)買成本，因此國(guó)內(nèi)SPS的使用以及對(duì)新材料的探索研究會(huì)得到進(jìn)一步提升。

超高溫陶瓷材料

在耐高溫的陶瓷材料中，熔點(diǎn)大于3000℃的被分類為陶瓷的一個(gè)特殊類別，稱為超高溫陶瓷。超高溫的化合物有氧化鉿、氧化釷、碳化鉭、碳化鉿等。這些材料主要應(yīng)用在高速飛行器的外面的保護(hù)層，因高速飛行器（速度達(dá)10馬赫）在極短的時(shí)間，其溫度就可以達(dá)到2000℃以上，因此需要超高溫耐氧化的陶瓷材料。

由于超高溫材料的熔點(diǎn)高，又有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，自擴(kuò)散率比較低，在超高溫陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中，面臨斷裂韌性不高的問(wèn)題。為了解決和改善該問(wèn)題，可以在原料中添加增韌的顆粒或者纖維等，形成復(fù)合陶瓷基體。采用SPS燒結(jié)方法可以在相對(duì)較低的溫度下，進(jìn)行陶瓷的致密性燒結(jié)。

透明陶瓷

透明陶瓷不僅有良好的光學(xué)透明性和光學(xué)特性，還擁有陶瓷的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，在照明技術(shù)、高溫高壓環(huán)境中的視窗材料、整流罩、坦克透明裝甲等領(lǐng)域，有著無(wú)比優(yōu)越的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。研究人員使用放電等離子燒結(jié)和熱處理的方法制備了透明鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷，結(jié)果顯示BST樣品的密度接近理論，樣品是透明的，Ba_o.3Sr_o.7TiO₃和Ba_o.4Sr_o.6TiO₃陶瓷在633nm處的透射率均超過(guò)74%。這種快速的燒結(jié)技術(shù)可以在快速的加溫中快速致密陶瓷粉體，以致陶瓷的粒徑比較小，而且燒結(jié)溫度比較低。

另有研究人員利用熱壓和SPS燒結(jié)技術(shù)制備了MgO透明陶瓷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SPS燒結(jié)1min，氧化鎂陶瓷粉體出現(xiàn)明顯的收縮，而熱壓方法在150s時(shí)才出現(xiàn)明顯的體積收縮；在150MPa時(shí)，800℃、2min的SPS工藝方法，即可獲得完全致密的粒徑為52nm的MgO透明透明陶瓷。

生物陶瓷

生物陶瓷由于其獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物相容性，在牙科、骨骼和關(guān)節(jié)種植等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。其中的羥基磷灰石及復(fù)合材料一般是磷酸鈣基陶瓷，這是目前骨科和頜面外科首選的骨替代材料，如髖關(guān)節(jié)和牙科種植體。

其中羥基磷灰石（HA）構(gòu)成天然骨的主要無(wú)機(jī)成分，HA作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的替代材料引起了相當(dāng)大的關(guān)注，因?yàn)樗軌虼龠M(jìn)骨在其表面的附著和生長(zhǎng)。然而，HA陶瓷的低強(qiáng)度和低斷裂韌性等較差的機(jī)械性能，嚴(yán)重限制了其在承重領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了克服這些問(wèn)題可以從材料的致密度入手，制備致密度高、晶粒小的的材料，同時(shí)在制備過(guò)程中，添加增強(qiáng)劑或者顆粒達(dá)到增強(qiáng)斷裂韌性和強(qiáng)度。SPS技術(shù)克服了傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的長(zhǎng)時(shí)間和密度低的問(wèn)題，大直流脈沖加熱允許粉體顆粒能夠快速升溫（升溫速率達(dá)1000°C/min），從而在極短的時(shí)間內(nèi)完成樣品的致密化。短的燒結(jié)時(shí)間對(duì)于保持納米復(fù)合材料中碳納米材料的結(jié)構(gòu)和性能，以及抑制HA陶瓷中的晶粒生長(zhǎng)至關(guān)重要，從而獲得致密的納米結(jié)構(gòu)陶瓷。

納米陶瓷

納米陶瓷是納米技術(shù)的一個(gè)分支，是平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。陶瓷具有硬度大、耐磨性、耐腐蝕、不會(huì)老化等優(yōu)點(diǎn)，但是陶瓷的脆性大是它的最大的問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)添加吸收能量的單元，提高陶瓷的斷裂韌性，減小臨界裂紋尺寸，同時(shí)發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸的減小、晶界的增加，可以增加陶瓷的抗斷裂的韌性。納米陶瓷的高韌性為解決陶瓷的韌性帶來(lái)了希望。

研究人員利用共沉淀的方法獲得納米氧化鋅粉體，使用微波燒結(jié)和SPS兩種燒結(jié)方法制備氧化鋅陶瓷，結(jié)果顯示微波燒結(jié)的氧化鋅陶瓷在900℃時(shí)才達(dá)到最致密，利用SPS方法在550℃時(shí)，氧化鋅的密度已經(jīng)能達(dá)到理論密度的98.5%。

微波介電陶瓷

SPS燒結(jié)技術(shù)在微波陶瓷上的應(yīng)用，也體現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢(shì)。研究人員采用固態(tài)燒結(jié)（SSS）和放電等離子燒結(jié)（SPS）兩種方法制備了類方石英結(jié)構(gòu)的BPO₄陶瓷，固相燒結(jié)時(shí)，溫度為1200℃，樣品才出現(xiàn)明顯的收縮和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，但在該溫度下BPO₄嚴(yán)重升華，陶瓷樣品的相對(duì)密度僅為74.6%。而SPS燒結(jié)的樣品在1000℃，保溫10min的燒結(jié)程序下，陶瓷的相對(duì)密度為92.7%，遠(yuǎn)優(yōu)于固相燒結(jié)的結(jié)果。

壓電陶瓷

PbZrO₃-PbTiO₃（PZT）壓電材料中含有重金屬Pb，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)利用無(wú)鉛的壓電材料，也是目前壓電陶瓷研究的一個(gè)熱點(diǎn)。放電等離子體燒結(jié)技術(shù)，在制備壓電陶瓷中，發(fā)揮自己的獨(dú)特快速加熱優(yōu)勢(shì)，較短時(shí)間內(nèi)致密化陶瓷樣品，同時(shí)所得壓電陶瓷的性能也會(huì)得到一定的提升與優(yōu)化。

研究人員在燒結(jié)PZT的陶瓷中，使用了傳統(tǒng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)的三種燒結(jié)方法，結(jié)果顯示傳統(tǒng)燒結(jié)的陶瓷中缺陷空隙氣孔的分布不均勻，熱壓的結(jié)果好于傳統(tǒng)的方法，能得到致密的陶瓷，但是燒結(jié)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)玻璃相，而SPS的方法在快速燒結(jié)后，晶粒停止生長(zhǎng)，消除了團(tuán)聚，最終獲得沒(méi)有缺陷和氣孔均一的壓電陶瓷。

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