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做粉末冶金和陶瓷材料的朋友，这些年大概率都听过放电等离子烧结，也就是常说的SPS。这几年新材料方向的研究很热，从纳米晶块体到梯度功能材料，再到非晶合金和金刚石复合材料，传统烧结炉要么温度不够，要么时间太长，晶粒一长大性能就下来了。SPS之所以被越来越多实验室和量产线关注，核心就在于它把"快"和"致密"这两件事放到了同一套设备里，让材料在还没来得及粗化之前就完成烧结。
一、为什么SPS不需要加有机粘结剂
传统粉末压制成型，不管是冷压再加烧结，还是注射成型，粉末颗粒之间靠自身摩擦力很难压到足够密度，通常要加一点石蜡、硬脂酸之类的有机粘结剂，把粉末粘成形状再进炉。问题在于粘结剂是有机物，进炉后要先脱脂，脱脂环节慢，排出来的烟气还要处理，稍不留神工件内部就会留下气孔或者碳残留。对于纳米粉、活性金属粉这类对杂质很敏感的材料，粘结剂带来的污染往往是性能跑偏的主因。
SPS走的是另一条路。粉末直接装进石墨模具，上下模冲通电加压，脉冲电流穿过模具和粉末本身发热，颗粒在电场和压力共同作用下互相靠拢、颈部长大，不需要靠有机物把颗粒粘住。省掉脱脂这一步，不仅缩短了工艺周期，更重要的是避免了有机物分解产生的残碳、气孔和气体通道，材料的纯度和致密度都更容易控制。对于要做陶瓷、金属间化合物、梯度材料的客户来说，少一道脱脂就少一个变量，工艺调试起来心里更有底。
二、低温快速致密是怎么做到的
普通热压炉靠模具外部发热体把热量传进粉末，热传导要走一段，升温速率一般每分钟几度到十几度，烧一块试样动辄一两个小时。保温时间一长，晶粒在高温下就有足够时间长大，纳米材料烧完往往变成粗晶材料，本来想要的细晶强化效果就打了折扣。SPS不一样，电流直接通过石墨模具和粉末，模具本身就是发热体，热量从内往外走，热效率高，升温速率可以拉到每分钟几十度甚至上百度，从室温升到一千多度往往十几分钟就到了。
更关键的是，脉冲电压在颗粒间隙会激发微区放电，颗粒表面瞬间产生等离子体，表面氧化膜和吸附气体被击穿清理干净，颗粒之间的接触变得更直接。再加上轴向压力一直在，颗粒一边被加热一边被挤压，塑性变形和扩散同时发生，致密化的时间窗口被压缩得很短。结果就是烧结温度比传统炉低一两百度，保温时间从小时级降到分钟级，材料还没来得及晶粒长大就已经致密成型。很多客户关心的纳米晶保持率、细晶合金强度，在SPS工艺下能做得比较稳。
三、残余应力为什么能降下来
烧结件出了炉子，最头疼的问题之一就是残余应力。传统炉子炉膛大，工件心部和表面温差大，降温又慢，热应力一点点累积在工件内部，加工变形、开裂、尺寸超差都跟它有关。特别是异种材料叠层、梯度复合材料这类热膨胀系数不一样的体系，残余应力处理不好，工件从模具里一取出来就翘曲。
SPS的优势在于温度场相对可控。因为加热集中在模具附近，有效加热区虽然小，但热梯度分布均匀，加上升降温快，工件在高温停留的时间短，高温下的应力释放窗口虽然不长，但因为整体温差小，累积的热应力本身就低。模具本身有一定的刚性约束，冷却阶段石墨模具跟着工件一起收缩，对工件内部应力起到一部分抑制作用。对于做非晶合金、金属玻璃这类对冷却速度和温度均匀性都敏感的材料，SPS出来的样品开裂率明显比传统热压低。
四、SPS和普通热压炉差在哪
从外观看，SPS和真空热压炉有点像，都是立式结构，都有液压加压系统，都在真空或保护气氛下工作。但核心差别在加热方式。普通热压炉用的是石墨发热体或者钼带发热体，热量靠辐射和对流传到模具，模具本身不导电，压力靠上下压头机械传递。SPS用的是导电石墨模具，脉冲直流电源直接接在上下压头上，电流穿过模具和粉末，模具既是承压件又是发热件，还带脉冲通断控制。
正因为有脉冲电流这一项，SPS能做一些普通热压难做的事：比如导电差的陶瓷材料，在普通热压里靠模具辐射加热效率低，到了SPS里颗粒间微区放电可以辅助发热；比如需要快速升降温的材料研究，SPS的工艺曲线可以压得很短，重复一致性也好控制。当然SPS也有它的局限，单次装料量受模具尺寸限制，更适合实验室小试和小批量制备，大批量量产还是要回到连续式或者半连续式设备上。客户选型时要把这一点想清楚，别指望一台SPS把所有量产问题都解决掉。
放电等离子烧结这几年在新材料研发里用得越来越多，核心原因就是它把低温、快速、致密这几件事捏到了一起，对细晶材料、纳米材料和难烧结材料尤其友好。东莞市志远工业设备有限公司在SPS设备和真空热压炉这块做了多年，从实验室小型机到生产型规格都有覆盖，客户拿粉末配方过来，技术可以帮忙一起摸工艺窗口，把温度、压力、脉冲参数这几个关键变量调顺。