北京SPS放电等离子烧结技术发展：从引进到国产化

  SPS放电等离子烧结技术这些年在新材料研发圈子里很火，从纳米陶瓷到梯度材料，从功能材料到硬质合金，都有人用SPS做快速烧结。这项技术从国外引进到国内自主研发，走过了四十多年的路。志远工业设备在做真空管式炉和热压烧结设备时，也关注SPS技术的发展动态。本文梳理SPS的发展脉络和技术特点。

一、SPS技术的基本原理

SPS和传统热压烧结有点像，都是在模具里一边加热一边加压。区别在于SPS用的是脉冲直流电流直接通过导电模具，电流在粉末颗粒之间产生放电，激发局部等离子体，把颗粒表面氧化膜打掉，同时实现粉体自发热。加上上下压头的机械压力，致密化速度比普通热压快很多。

SPS的升温速率可以到100℃/min以上，整个烧结过程从室温到保温再到冷却，十几分钟就能完成一个循环。传统无压烧结可能要十几个小时，SPS把时间压缩到几十分钟。时间短意味着晶粒来不及长大，做出来的材料晶粒更细，强度和韧性更好。

二、国内SPS发展历程

国内早期的SPS设备其实是电火花烧结机。1979年钢铁研究总院研制出国内第一台电火花烧结机，用来批量生产金属陶瓷模具，当时就产生了不错的经济效益。那时候的设备原理和现在的SPS还有不少差别，脉冲频率和压力控制都比较简单。

从2000年开始，国内陆续从日本引进了多台SPS烧结系统，主要用在纳米材料和陶瓷材料的实验室研究。引进设备价格高、维护成本贵，很多高校和研究所只能共用一台机，排队做样。2010年以后，国内开始自主研发SPS设备，从脉冲电源到模具设计逐步国产化，价格降到进口设备的三分之一左右，实验室普及率提高了很多。

现在SPS已经从实验室小试走向中试和小批量生产。做纳米晶硬质合金、功能梯度材料、难熔金属陶瓷这些传统工艺难做的材料，SPS的优势越来越明显。

三、烧结机理研究现状

SPS到底为什么烧结这么快，学术界到现在还没有统一结论。早期的观点认为，脉冲电流在粉末颗粒间隙产生微放电，激发等离子体，把颗粒表面净化并促进扩散。后来有人用模型计算发现，放电产生的局部高温只是瞬时的，对整体致密化的贡献可能没有想象中大，真正起作用的还是焦耳热加压力。

现在的共识是，SPS过程是颗粒放电、导电加热和加压三种机制共同作用的结果。不同材料占主导的机制不一样：导电好的金属粉末，电流直接通过粉体，焦耳热为主；绝缘的陶瓷粉末，电流主要通过模具壁加热，颗粒间放电起表面活化作用。

机理还没有搞透，不影响SPS在工业上的应用。做工艺的时候，还是温度、压力、保温时间三个参数为主，脉冲频率和占空比为辅。志远工业设备在做真空加压烧结炉时，也借鉴了SPS快速升温分段控制的思路。

四、常规技术参数参考

注：以上为常见配置范围，具体参数可根据客户工艺需求做调整。

五、两个应用案例

案例一：某高校纳米材料实验室。该实验室用SPS做纳米氧化锆陶瓷，传统无压烧结需要1450℃保温2小时，晶粒长大到500nm。用SPS在1250℃保温5分钟就完成致密化，晶粒尺寸控制在150nm，抗弯强度从900MPa提升到1300MPa。

案例二：某硬质合金企业中试线。该企业用SPS做超细晶硬质合金辊环，原来用低压烧结炉晶粒偏粗。改用SPS后在1380℃、40MPa条件下保温5分钟，晶粒从0.6μm细化到0.3μm，辊环使用寿命提高约40%。

六、小结

SPS技术从早期电火花烧结机发展到今天的脉冲等离子烧结系统，国产化程度越来越高。它的核心优势就是快和细——快速烧结、细晶组织。虽然机理还在研究，但工艺参数的优化方法已经比较成熟，新材料研发用SPS做小样品筛选效率很高。

如需了解相关工艺设备，可参考志远工业设备的真空钎焊炉、真空加压烧结炉等产品页面。