放电等离子体烧结技术(SPS)

放电等离子体烧结技术（SPS）

一、S PS合成技术的发展

▪最初实现放电产生“等离子体”的人是以发现电磁感应法则而知名的法拉第（M.Farady），他最早发现在低压气体中放电可以分别观测到相当大的发光区域和不发光的暗区。

▪ngmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对应的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态为“等离子体”。

等离子体特效图

▪1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了SPS技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。

▪SPS技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。

▪1988年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广应用。

▪1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10~100t 的烧结压力和5000~8000A脉冲电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。

▪1996年，日本组织了产学官联合的SPS研讨会，并每年召开一次。

▪由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用SPS进行新材料的开发和研究。

▪1998年瑞典购进SPS烧结系统，对碳化物、氧化物、生物陶瓷登材料进行了较多的研究工作。

▪目前全世界共有SPS装置100多台。如日本东北大学、大阪大学、美国加利福尼亚大学、瑞典斯德哥尔摩大学、新加坡南洋理工大学等大学及科研机构相继购置了SPS系统。

▪我国近几年也开展了利用SPS技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS烧结系统，主要用于纳米材料和陶瓷材料的烧结合成。

▪最早在1979年，我国钢铁研究总院自主研发制造了国内第一台电火花烧结机，用以批量生产金属陶瓷模具，产生了良好的社会经济效益。

▪2000年6月武汉理工大学购置了国内首台SPS装置（日本住友石炭矿业株式会社生产，SPS-1050）。

▪随后上海硅酸盐研究所、清华大学、北京工业大学和武汉大学等高校及科研机构也相继引进了SPS装置，用来进行相关的科学研究。

▪SPS作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重视。

▪2006年，国内真空电炉生产企业开始研制国产SPS烧结系统。经过我国科研人员，国产SPS于2009年研制出第一台国产SPS烧结系统，在我国高校和科研机构得到应用且取得了较好的效果。

二、S PS合成技术原理

1、等离子体

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、液、气三态外物质的第四种状态。所谓等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。

☐处于等离子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。

☐之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也

有着明显的差异。

⏹首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保

持电中性。

⏹其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在静电磁力，而等离子

体中的带电粒子之间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集

体运动。

⏹第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会收到电磁场影

响和约束。

▪需要说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体

系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。

▪否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。

2、等离子体一般分两类

第一类是高温等离子体或称热等离子体（亦称高压平衡等离子体）

此类等离子体中，粒子的激发或是电离主要是通过碰撞实现，当压力大于1.33×104Pa时，由于气体密度较大，电子撞击气体分子，电子的能量被气体吸收，电子温度和气体温度几乎相等，即处于热力学平衡状态。

第二类是低温等离子体（亦称冷等离子体）

在低压下产生，压力小于1.33×104Pa时，气体被撞击的几率减少，气体吸收电子的能量减少，造成电子温度和气体温度分离，电子温度比较高（104K）而气体的温度相对比较低（102~103K），即电子与气体处于非平衡状态。气体压力越小，电子和气体的温差就越大。

等离子体的主要产生途径

3、等离子体烧结技术(SPS)

放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering）简称SPS，是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。

该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，因此有时也被称为等离子活化烧结(Plasma Activated Sinteriny,PAS)或等离子体辅助烧结（Plasma Assister Sinteriny,PAS）。

该技术是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。

4、放电等离子烧结优点

放电等离子烧结由于强脉冲电流加在粉末颗粒间，因此可产生诸多有利于快速烧结的效应。其相比常规烧结技术有以下优点：