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SPS放電等離子燒結試驗的機理簡介

來源：時間：2023-12-12 10:24:11 瀏覽：6248次

放電等離子體燒結（SPS）是一種快速燒結方法,在低的大氣壓下利用軸向力和脈沖電流對粉末進行高速加熱固化的燒結技術。這種加熱方式能夠施加非常高的加熱溫度，能夠大幅提升致密度（見下圖），將納米粉末的固有性質保持在其完全致密的產品中。

SPS系統的基本結構如下圖所示。該系統主要包含垂直加壓系統、水冷系統、氣氛控制系統，脈沖電流發生器和控制器等。粉末材料堆疊在燒結模具腔室中，在軸向壓力和脈沖電流的共同作用下，溫度迅速升高到高于環境溫度1000~2500℃，從而在幾分鐘內就能生產出高質量的燒結體。

SPS工藝基于電火花放電現象，高能低壓的脈沖電流在局部顆粒之間瞬間產生高溫，發生火花等離子體放電，從而產生最佳的熱和電離擴散。SPS燒結溫度范圍從低溫至超過2000℃，比常規燒結低200至500℃。對于SPS的燒結機理目前主要包括以下的過程：

1、等離子生成

最初由Inoue和SPS工藝發明者等人研究認為，脈沖電流在顆粒觸點之間產生高溫火花甚至等離子體，這也是該工藝被命名的原因。而Inoue等在之后的研究中認為由于火花放電引起的粒子接觸電離產生了“脈沖壓力”，促進了原子在接觸處的擴散。Groza等研究提出脈沖電流在顆粒表面上具有清潔效果，而顆粒之間沒有形成氧化。

是否產生等離子體尚未通過實驗直接證實。因此，沒有確鑿的證據證明等離子體在SPS過程中的生成。等離子體放電的發生仍然存在爭議，但目前普遍認為放電現象會在微觀水平上發生。

2、電塑效應

目前的研究認為脈沖電流通過金屬材料時，會產生大量的定向漂移的自由電子。漂移電子群頻繁地定向撞擊位錯，會對位錯段產生一個類似于外加應力的電子風力，促進位錯在其滑移面上的移動。同時，施加脈沖電流時電能、熱能和應力是被瞬時輸入到材料中，原子的隨機熱運動在脈沖電流瞬時沖擊力作用下獲得足夠的動能離開平衡位置，原子的擴散能力加強，位錯更容易滑移、攀移，從而提高了金屬的塑性。

3、焦耳加熱

由于電流通過顆粒而引起的焦耳加熱有助于在機械壓力下焊接顆粒。導電顆粒表面上產生的強烈焦耳加熱效應通常會達到沸點，從而導致粉末表面的局部蒸發或清潔。

4、脈沖電流

在燒結的過程中脈沖電流會產生：火花等離子體、火花沖擊壓力、焦耳加熱和電場擴散效應。

相比于傳統的電燒結工藝，SPS工藝中粉末顆粒表面更容易凈化和活化，微觀水平下表現為原子，位錯，空位等更容易發生運動，宏觀表現為材料更容易發生形變。在短時間內，較低溫度下更容易獲得高質量的燒結體。下圖說明了脈沖電流如何流過SPS燒結模具內的粉末顆粒。

SPS工藝是一種電燒結技術，它將來自于脈沖發生器的脈沖電流施加到顆粒粉末上（見下圖），除了促進上述燒結的因素外，發生在粉末顆粒之間的有效放電，也促進了燒結。

由火花等離子體和火花沖擊壓力產生的高溫濺射現象消除了存在于粉末顆粒表面上的吸附氣體和雜質。

5、機械壓力

當火花放電出現在間隙中或材料顆粒之間的接觸點處時，瞬間產生幾十到幾萬攝氏度的局部高溫狀態（放電柱）。這導致SPS過程中粉末顆粒表面上的蒸發和熔化，并且在顆粒之間的接觸區域周圍形成“頸部”。下圖顯示了火花等離子體形成頸部的基本機制。

圖a顯示了由于等離子體中的火花引起頸部形成的初始階段行為。熱量立即從火花放電柱的中心傳遞到球體表面并擴散，使得晶間結合部分快速冷卻。如圖b所示，其顯示了幾個頸部，脈沖在顆粒之間一個接一個地引起火花放電。即使單個顆粒，隨著重復放電，在相鄰顆粒之間形成頸部的位置的數量也增加。圖c顯示了SPS燒結晶界的狀態，該燒結晶界在燒結進一步發展后發生塑性變形。