SPS技术的发展和应用3833.docx

《SPS技术的发展和应用3833.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SPS技术的发展和应用3833.docx（8页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、放电等离子子烧结技术术的发展和和应用1前言 随着着高新技术术产业的发发展,新型型材料特别别是新型功功能材料的的种类和需需求量不断断增加,材材料新的功功能呼唤新新的制备技技术。放电电等离子烧烧结(,简简称)是制备备功能材料料的一种全全新技术,它具有升升温速度快快、烧结时时间短、组组织结构可可控、节能能环保等鲜鲜明特点,可用来制制备金属材材料、陶瓷瓷材料、复复合材料,也可用来来制备纳米米块体材料料、非晶块块体材料、梯梯度材料等等。 2国内外的发发展与应用用状况 技术是在在粉末颗粒粒间直接通通入脉冲电电流进行加加热烧结,因此在有有的文献上上也被称为为等离子活活化烧结或或等离子辅辅助烧结(-或-)11

2、,2。早早在19330年,美美国科学家家就提出了了脉冲电流流烧结原理理,但是直直到19665年,脉脉冲电流烧烧结技术才才在美、日日等国得到到应用。日日本获得了了技技术的专利利,但当时时未能解决决该技术存存在的生产产效率低等等问题,因因此技术没有有得到推广广应用。 19988年日日本研制出出第一台工工业型装置,并在新材材料研究领领域内推广广应用。11990年年以后,日日本推出了了可用于工工业生产的的第第三代产品品,具有1101000的烧烧结压力和和脉冲电流流5000080000。最最近又研制制出压力达达500,脉冲电电流为255000的大型装置置。由于技术术具有快速速、低温、高高效率等优优点,近

3、几几年国外许许多大学和和科研机构构都相继配配备了烧结系系统,并利利用进行新材材料的研究究和开发3。11998年年瑞典购进进烧烧结系统,对碳化物物、氧化物物、生物陶陶瓷等材料料进行了较较多的研究究工作44。 国内近近三年也开开展了用技术术制备新材材料的研究究工作11,3,引进了数数台烧结系统统,主要用用来烧结纳纳米材料和和陶瓷材料料588。作为一一种材料制制备的全新新技术,已已引起了国国内外的广广泛重视。 3的烧结结原理 331等离离子体和等等离子加工工技术99,10 是利利用放电等等离子体进进行烧结的的。等离子子体是物质质在高温或或特定激励励下的一种种物质状态态,是除固固态、液态态和气态以以外

4、,物质质的第四种种状态。等等离子体是是电离气体体,由大量量正负带电电粒子和中中性粒子组组成,并表表现出集体体行为的一一种准中性性气体。 等离离子体是解解离的高温温导电气体体,可提供供反应活性性高的状态态。等离子子体温度44000109999,其气态态分子和原原子处在高高度活化状状态,而且且等离子气气体内离子子化程度很很高,这些些性质使得得等离子体体成为一种种非常重要要的材料制制备和加工工技术。 等离离子体加工工技术已得得到较多的的应用,例例如等离子子体、低温等等离子体以及及等离子体体和离子束束刻蚀等。目目前等离子子体多用于于氧化物涂涂层、等离离子刻蚀方方面,在制制备高纯碳碳化物和氮氮化物粉体体

5、上也有一一定应用。而而等离子体体的另一个个很有潜力力的应用领领域是在陶陶瓷材料的的烧结方面面1。 产生等离离子体的方方法包括加加热、放电电和光激励励等。放电电产生的等等离子体包包括直流放放电、射频频放电和微微波放电等等离子体。利用用的是直流流放电等离离子体。 32装置置和烧结基基本原理 装置主主要包括以以下几个部部分:轴向向压力装置置;水冷冲冲头电极;真空腔体体;气氛控控制系统(真空、氩氩气);直直流脉冲电电源及冷却却水、位移移测量、温温度测量和和安全等控控制单元。的基基本结构如如图1所示示。 与与热压()有相相似之处,但加热方方式完全不不同,它是是一种利用用通-断直直流脉冲电电流直接通通电烧

6、结的的加压烧结结法。通-断式直流流脉冲电流流的主要作作用是产生生放电等离离子体、放放电冲击压压力、焦耳耳热和电场场扩散作用用11。烧结时脉脉冲电流通通过粉末颗颗粒如图22所示。在在烧烧结过程中中,电极通通入直流脉脉冲电流时时瞬间产生生的放电等等离子体,使烧结体体内部各个个颗粒均匀匀地自身产产生焦耳热热并使颗粒粒表面活化化。与自身身加热反应应合成法()和微波烧烧结法类似似,是有效利利用粉末内内部的自身身发热作用用而进行烧烧结的。这这种放电直直接加热法法,热效率率极高,放放电点的弥弥散分布能能够实现均均匀加热,因而容易易制备出均均质、致密密、高质量量的烧结体体。烧结过程程可以看作作是颗粒放放电、导

7、电电加热和加加压综合作作用的结果果。除加热热和加压这这两个促进进烧结的因因素外,在在技技术中,颗颗粒间的有有效放电可可产生局部部高温,可可以使表面面局部熔化化、表面物物质剥落;高温等离离子的溅射射和放电冲冲击清除了了粉末颗粒粒表面杂质质(如去除除表层氧化化物等)和和吸附的气气体。电场场的作用是是加快扩散散过程11,9,112。 4的工艺艺优势 的工艺优优势十分明明显:加热热均匀,升升温速度快快,烧结温温度低,烧烧结时间短短,生产效效率高,产产品组织细细小均匀,能保持原原材料的自自然状态,可以得到到高致密度度的材料,可以烧结结梯度材料料以及复杂杂工件等3,111。与和相比,装装置操作简简单、不需

8、需要专门的的熟练技术术。文献11报报道,生产产一块直径径100、厚117的的22(3)/不锈钢钢梯度材料料()用的总总时间是558,其中升升温时间228、保温时时间5和冷却却时间255。与与相比比,技术的烧烧结温度可可降低1000200013。 5在在材料制备备中的应用用 目目前在国外外,尤其在在日本开展展了较多用用制制备新材料料的研究,部分产品品已投入生生产。可加工工的材料种种类如表11所示。除除了制备材材料外,还可可进行材料料连接,如如连接2与与石墨114,2/等115。 近几年,国内外用用制制备新材料料的研究主主要集中在在:陶瓷、金金属陶瓷、金金属间化合合物,复合合材料纳米米材料和功功能

9、材料等等方面。其其中研究最最多的是功功能材料,它包括热热电材料16、磁磁性材料17,功能梯度度材料118,复复合功能材材料199和纳米米功能材料料20等。对制备备非晶合金金、形状记记忆合金21、金金刚石等也也作了尝试试,取得了了较好的结结果。 551功能能梯度材料料 功功能梯度材材料()的成成分是梯度度变化的,各层的烧烧结温度不不同,利用用传统的烧烧结方法难难以一次烧烧成。利用用、等方方法制备梯梯度材料,成本很高高,也很难难实现工业业化。采用用阶梯状的的石墨模具具,由于模模具上、下下两端的电电流密度不不同,因此此可以产生生温度梯度度。利用在石石墨模具中中产生的梯梯度温度场场,只需要要几分钟就就

10、可烧结好好成分配比比不同的梯梯度材料。目目前成功制备备的梯度材材料有:不不锈钢/2;/2;/高高聚物;/植物物纤维;/等梯度度材料。 在自自蔓延燃烧烧合成()中中,电场具具有较大激激活效应和和作用,特特别是场激激活效应可可以使以前前不能合成成的材料也也能成功合合成,扩大大了成分范范围,并能能控制相的的成分,不不过得到的的是多孔材材料,还需需要进一步步加工提高高致密度。利利用类似于于电电场激活作作用的技术,对陶瓷、复复合材料和和梯度材料料的合成和和致密化同同时进行,可得到665的的纳米晶,比少了一道道致密化工工序222。 利用可制制备大尺寸寸的,目前制备备的尺寸较较大的体系是是22(3)/不锈钢

11、钢圆盘,尺尺寸已达到到100011723。 用普普通烧结和和热压粉末时必必须加入添添加剂,而而使使烧结纯成为可可能。用制备备的/梯度度材料的维维氏硬度()和和断裂韧度度分别达到到了24和661/22,大大减减轻由于和的热膨胀胀不匹配而而导致热应应力引起的的开裂224。 52热热电材料 由于于热电转换换的高可靠靠性、无污污染等特点点,最近热热电转换器器引起了人人们极大的的兴趣,并并研究了许许多热电转转换材料。经经文献检索索发现,在在制制备功能材材料的研究究中,对热热电材料的的研究较多多。 (1)热热电材料的的成分梯度度化是目前前提高热电电效率的有有效途径之之一。例如如,成分梯梯度的22就是一种种

12、比较有前前途的热电电材料,可可用于20009000之间进行行热电转换换。2没没有毒性,在空气中中有很好的的抗氧化性性,并且有有较高的电电导率和热热电功率。热热电材料的的品质因数数越高(=2/,其其中是品品质因数,为系数,为导热热系数,为材料的的电阻率),其热电电转换效率率也越高。实实验表明,采用制备的的成分梯度度的(含量量可变),比2的的热电性能能大为提高高25。这方面面的例子还还有/23/26,2227,43328,钨硅化化物299等。 (2)用用于热电致致冷的传统统半导体材材料不仅强强度和耐久久性差,而而且主要采采用单向生生长法制备备,生产周周期长、成成本高。近近年来有些些厂家为了了解决这

13、个个问题,采采用烧结法法生产半导导体致冷材材料,虽改改善了机械械强度和提提高了材料料使用率,但是热电电性能远远远达不到单单晶半导体体的性能。现现在采用生产产半导体致致冷材料,在几分钟钟内就可制制备出完整整的半导体体材料,而而晶体生长长法却要十十几个小时时。制备半导导体热电材材料的优点点是,可直直接加工成成圆片,不不需要单向向生长法那那样的切割割加工,节节约了材料料,提高了了生产效率率。 热压和冷冷压-烧结结的半导体体性能低于于晶体生长长法制备的的性能。现现用于热电电致冷的半半导体材料料的主要成成分是,和,目前前最高的值为30010-3/,而用制备的的热电半导导体的值值已达到22930010-3

14、/,几乎等于于单晶半导导体的性能能30。表2是是和和其它方法法生产材料料的比较。 53铁铁电材料 用烧结结铁电陶瓷瓷3时,在900010000下烧结113,烧结结后平均颗颗粒尺寸1,相对密度度超过988%。由于于陶瓷中孔孔洞较少31,因此在11011106之间介电电常数基本本不随频率率而变化。 用制备备铁电材料料43112陶瓷时时,在烧结结体晶粒伸伸长和粗化化的同时,陶瓷迅速速致密化。用用容容易得到晶晶粒取向度度好的试样样,可观察察到晶粒择择优取向的的43112陶瓷的的电性能有有强烈的各各向异性32。 用在9900烧结制备备的3陶陶瓷,其晶晶粒尺寸接接近2000333。用用制制备铁电置换半半导

15、体陶瓷,使铁电相相变温度提高到到470,而以前前冷压烧结结陶瓷只有有33034。 544磁性材材料 用烧结磁磁性合金,若在较高高温度下烧烧结,可以以得到高的的致密度,但烧结温温度过高会会导致出现现相和晶晶粒长大,磁性能恶恶化。若在在较低温度度下烧结,虽能保持持良好的磁磁性能,但但粉末却不不能被完全全压实,因因此要详细细研究密度度与性能的的关系335。 在烧结结磁性材料料时具有烧烧结温度低低、保温时时间短的工工艺优点。在在650下保温55,即可烧结结成接近完完全密实的的块状磁体体,没有发发现晶粒长长大366。用制备备的86556435和244的复合材材料(8550,1300),具有高高的饱和磁磁

16、化强度=122和高的的电阻率=1110-2337。以以前用快速速凝固法制制备的软磁磁合金薄带带,虽已达达到几十纳纳米的细小小晶粒组织织,但是不不能制备成成合金块体体,应用受受到限制。而而现在采用用制制备的块体体磁性合金金的磁性能能已达到非非晶和纳米米晶组织带带材的软磁磁性能33。 555纳米米材料 致密纳纳米材料的的制备越来来越受到重重视。利用用传统的热热压烧结和和热等静压压烧结等方方法来制备备纳米材料料时,很难难保证能同同时达到纳纳米尺寸的的晶粒和完完全致密的的要求。利利用技术,由由于加热速速度快,烧烧结时间短短,可显著著抑制晶粒粒粗化。例例如:用平平均粒度为为5的的粉粉经烧结(11963,

17、19663822,烧结5),可得到平平均晶粒665的的密密实体33。文献献3中中引用有关关实例说明明了烧结中晶晶粒长大受受到最大限限度的抑制制,所制得得烧结体无无疏松和明明显的晶粒粒长大。 烧结时时,虽然所所加压力较较小,但是是除了压力力的作用会会导致活化化能降低低外,由于于存在放电电的作用,也会使晶晶粒得到活活化而使值进一步步减小,从从而会促进进晶粒长大大,因此从从这方面来来说,用烧结结制备纳米米材料有一一定的困难难。 但是实际际上已有成成功制备平平均晶粒度度为65的密实体体的实例。在在文献338中,非晶粉末末用烧结制备备出2030的990773纳米米磁性材料料。另外,还已发现现晶粒随烧结结

18、温度变化化比较缓慢慢7,因此制备纳纳米材料的的机理和对对晶粒长大大的影响还还需要作进进一步的研研究。 556非晶晶合金的制制备 在非晶合合金的制备备中,要选选择合金成成分以保证证合金具有有极低的非非晶形成临临界冷却速速度,从而而获得极高高的非晶形形成能力。在在制备工艺艺方面主要要有金属模模浇铸法和和水淬法,其关键是是快速冷却却和控制非非均匀形核核。由于制制备非晶合合金粉末的的技术相对对成熟,因因此多年来来,采用非非晶粉末在在低于其晶晶化温度下下进行温挤挤压、温轧轧、冲击(爆炸)固固化和等静静压烧结等等方法来制制备大块非非晶合金,但存在不不少技术难难题,如非非晶粉末的的硬度总高高于晶态粉粉末,因

19、而而压制性能能欠佳,其其综合性能能与旋淬法法制备的非非晶薄带相相近,难以以作为高强强度结构材材料使用39。可可见用普通通粉末冶金金法制备大大块非晶材材料存在不不少技术难难题。 作为新一一代烧结技技术有望在在这方面取取得进展,文献440中利利用烧结由机机械合金化化制取的非非晶基基粉末得到到了块状圆圆片试样(102),此此非晶合金金是在3775下5033时保温温20制备的的,含有非非晶相和结结晶相以及及残余的相。其其非晶相的的结晶温度度是5333。文献献41中用脉冲冲电流在4423和和500下制制备了8010555块状状非晶合金金,经分析析其中主要要是非晶相相。非晶合金比比2911合金和和纯镁有较

20、较高的腐蚀蚀电位和较较低的腐蚀蚀电流密度度,非晶化化改善了镁镁合金的抗抗腐蚀抗力力。从实践践来看,可可以采用烧结结法制备块块状非晶合合金。因此此利用先进进的技术进行行大块非晶晶合金的制制备研究很很有必要。 6总结结与展望 放电电等离子烧烧结()是一一种低温、短短时的快速速烧结法,可用来制制备金属、陶陶瓷、纳米米材料、非非晶材料、复复合材料、梯梯度材料等等。的推广应应用将在新新材料的研研究和生产产领域中发发挥重要作作用。 的基础理理论目前尚尚不完全清清楚,需要要进行大量量实践与理理论研究来来完善;需要要增加设备备的多功能能性和脉冲冲电流的容容量,以便便做尺寸更更大的产品品;特别需需要发展全全自动化的的生生产系统,以满足复复杂形状、高高性能的产产品和三维维梯度功能能材料的生生产需要42。 对实实际生产来来说,需要要发展适合合技技术的粉末末材料;也也需要研制制比目前使使用的模具具材料(石石墨)强度度更高、重重复使用率率更好的新新型模具材材料,以提提高模具的的承载能力力和降低模模具费用。在在工艺方面面,需要建建立模具温温度和工件件实际温度度的温差关关系,以便便更好地控控制产品质质量。在产品品的性能测测试方面,需要建立立与之相适适应的标准准和方法。