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厦门SPS放电等离子烧结技术:脉冲电流活化与快速致密化原理

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是一种快速、低温、节能的材料制备新技术。它将脉冲电流直接通过石墨模具和粉末样品,在颗粒间隙产生放电等离子体,同时结合轴向压力实现致密化。与传统热压烧结相比,SPS的升温速度更快、烧结时间更短、晶粒更细。

SPS放电等离子烧结

SPS烧结原理

SPS过程除了热压烧结的焦耳热和塑性变形作用外,还在粉末颗粒间施加直流脉冲电压。脉冲放电产生的冲击波和高速电子离子流可以击碎颗粒表面的氧化膜,使粉末表面净化活化。脉冲是瞬间、断续、高频发生的,在颗粒未接触部位产生放电热,在接触部位产生焦耳热,双重作用大幅促进了原子扩散,扩散系数比常规热压条件下高得多。

颗粒间放电时瞬时产生数千至上万度的局部高温,在颗粒表面引起蒸发和熔化,在接触点形成烧结颈。由于热量迅速向四周扩散,烧结颈快速冷却,蒸气凝结在颈部形成蒸发-凝固传质,这是SPS特有的致密化机制。脉冲位置在粉末中快速移动,使烧结过程整体均匀化。

技术优势

SPS烧结炉

SPS的突出优势在于可以在晶粒不显著长大的状态下烧结出纳米块体材料——因为烧结时间短,晶粒没有足够时间长大。设备操作简单、再现性高、节能明显,适用于金属、陶瓷、复合材料和非晶材料的快速制备。目前SPS已广泛用于纳米材料、功能梯度材料和硬质合金新材料的研发。

需要注意的是,SPS的烧结机理目前学界仍有讨论,导电粉末和非导电粉末的烧结机制存在差异:导电材料中焦耳热和脉冲放电同时作用,非导电材料则主要靠模具的热传导加热。

志远工业设备的真空管式炉真空箱式气氛炉可满足常规材料烧结实验需求,SPS设备则适合需要快速致密化和纳米晶保持的前沿研究。

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