厦门放电等离子烧结SPS应用领域 纳米到磁性材料全覆盖

　放电等离子烧结（SPS）是把金属、陶瓷等粉末装入石墨模具，通过上下模冲和通电电极同时施加脉冲电流和轴向压力，经放电活化、热塑变形和冷却完成致密化的一种粉末冶金技术。脉冲电流在粉末颗粒间产生等离子体和焦耳热，配合机械压力，能明显降低烧结温度。和传统热压相比，SPS升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、能耗较低，近十几年在新材料制备领域铺开得很快。本文按材料方向梳理它的主要应用场景。

一、纳米材料：快速加热抑制晶粒粗化

　用传统热压或热等静压做纳米材料，常陷入两难：想致密就要升温或保温，可一升温晶粒就长大，纳米尺寸保不住。SPS因为加热迅速、合成时间短，能在颗粒还没来得及粗化时就完成致密化，把纳米晶组织保留下来。再加上SPS可以快速降温，能控制烧结过程中的反应路径，避免不必要的中间反应，让粉末里的缺陷和亚结构在块体中保留下来，对合成介稳材料尤其有价值。这是SPS在纳米材料方向被频繁使用的根本原因。

二、梯度功能材料：一次烧结多层结构

　梯度功能材料（FGM）是组分沿某个方向梯度变化的复合材料，各层烧结温度不同，传统方法很难一次烧成。用CVD、PVD等方法做梯度层，成本高，也难做厚。SPS可以把不同组分的粉末按梯度分层装入模具，在一次烧结里完成陶瓷/金属、聚合物/金属以及耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料的制备，梯度层可以做到十多层，实现烧结温度的梯度分布。这对做热应力缓和、功能分层结构的客户很有吸引力。

三、高致密度细晶陶瓷与金属陶瓷

　SPS过程里，每个粉末颗粒和颗粒间的空隙本身都可能成为发热源，传统烧结需要从外部传热的过程在SPS里基本可以忽略，因此烧结时间大幅缩短，烧结温度也明显降低。对高密度、细晶陶瓷的制备，SPS是一种很有优势的手段。金属陶瓷、硬质合金这类需要同时兼顾硬度和韧性的材料，细晶组织本来就是性能关键，SPS的低温短时特点正好契合。

四、磁性材料与非晶材料

　用SPS烧结NdFeB磁体时，温度窗口很窄：温度高了致密度上去但α相析出、晶粒长大，磁性能恶化；温度低了磁性能好但粉末压不实。SPS低温短时的特点正好可以把温度窗口控制在合适区间。以前快速凝固法做的软磁合金薄带晶粒很细，但薄带形态很难直接做成器件，用SPS把薄带粉末固结，块体磁性能可以接近非晶纳米晶薄带的水平。非晶材料方向，传统方法长时间加热容易让非晶组织晶化，SPS因为固化速度快于晶化速度，有望把非晶组织保留到块体里。

五、设备发展与配套建议

　未来SPS设备会朝更大脉冲电流容量、更多功能集成和全自动化方向发展，以满足复杂形状、高性能产品和三维梯度材料的生产需求。模具方面也需要比现有石墨模强度更高、重复利用率更好的新材料。工艺上要建立模具温度和工件实际温度的对应关系，才能更稳定地控制产品质量。志远工业设备在真空加压烧结炉、真空钎焊炉等热工装备上积累了较多工程经验，可结合真空箱式气氛炉为新材料客户做工艺配套，帮助把SPS应用从实验室参数走向稳定生产。