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放電等離子燒結（SPS）的機理與設備簡介

來源：時間：2023-12-15 09:38:25 瀏覽：7257次

放電等離子燒結（SPS）的機理與設備簡介

放電等離子燒結（SPS，Spark Plasma Sintering）是一種高效、快速的粉末冶金燒結技術。它利用低電壓、高電流的直流脈沖在粉末顆粒之間產(chǎn)生放電等離子體，通過瞬間高溫和電磁力實現(xiàn)粉末的快速燒結；SPS技術具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等特點，廣泛應用于金屬材料、陶瓷材料、復合材料、納米材料等領域。

一、機理

1. 等離子體生成：當脈沖電流通過粉末顆粒時，顆粒之間的氣隙發(fā)生電火花放電，產(chǎn)生高溫等離子體；等離子體中的活性粒子具有較高的能量，能夠促進粉末顆粒表面的氧化膜分解，提高粉末表面的活性。

2. 顆粒表面活化：等離子體中的活性粒子與粉末顆粒表面發(fā)生反應，去除氧化膜，暴露出新鮮的金屬表面；這有助于提高粉末顆粒的表面活性，降低燒結過程中的擴散阻力。

3. 電磁力作用：脈沖電流在粉末顆粒之間產(chǎn)生電磁力，使顆粒之間產(chǎn)生局部塑性變形，促進顆粒間的接觸和粘結；同時，電磁力有助于粉末顆粒在燒結過程中保持良好的導電性，降低電阻，提高燒結效率。

4. 熱壓燒結：在放電等離子體作用下，粉末顆粒表面的溫度迅速升高，達到燒結溫度；在較低的外部壓力作用下，粉末顆粒發(fā)生塑性變形，形成緊密的燒結體。

二、設備簡介

1. SPS系統(tǒng)基本結構：SPS系統(tǒng)主要由垂直加壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、脈沖電流發(fā)生器和控制器等組成。

2. 垂直加壓系統(tǒng)：垂直加壓系統(tǒng)用于對粉末材料施加外部壓力，使其在燒結過程中保持緊密排列；加壓系統(tǒng)通常采用液壓或氣壓驅動，可實現(xiàn)穩(wěn)定的壓力輸出。

3. 水冷系統(tǒng)：水冷系統(tǒng)用于冷卻燒結模具和粉末材料，以防止過熱；水冷系統(tǒng)通常由冷卻水循環(huán)泵、冷卻水管路和散熱器等組成。

4. 氣氛控制系統(tǒng)：氣氛控制系統(tǒng)用于控制燒結過程中的氣氛條件，如真空、氬氣等；氣氛控制系統(tǒng)通常包括真空泵、氣體流量計、氣體閥門等組件。

5. 脈沖電流發(fā)生器和控制器：脈沖電流發(fā)生器和控制器用于產(chǎn)生和控制燒結過程中的脈沖電流；脈沖電流發(fā)生器通常采用可控硅或IGBT等器件，控制器則用于設置脈沖電流的參數(shù)，如電流大小、脈沖寬度等。

6. 燒結模具：燒結模具是SPS系統(tǒng)的核心部件，用于承載粉末材料并實現(xiàn)放電等離子燒結；燒結模具通常由導電材料制成，具有良好的導電性和熱穩(wěn)定性。

三、優(yōu)勢與應用

1. 優(yōu)勢：SPS放電等離子燒結具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等特點；相較于傳統(tǒng)燒結方法，SPS技術能夠在較低的溫度下實現(xiàn)高質(zhì)量燒結，降低生產(chǎn)成本。

2. 應用：SPS放電等離子燒結廣泛應用于金屬材料、陶瓷材料、復合材料、納米材料等領域；具體應用包括功能梯度材料、生物材料、超細或納米晶WC-Co硬質(zhì)材料、鎂合金等新材料制備。

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