放电等离子烧结(SPS)技术简介教程
《放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料》
《放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料》篇一一、引言在当前的工业应用中，高性能的复合材料以其卓越的物理和化学性能受到广泛关注。
其中，MAX-cBN（由MAX相陶瓷和立方氮化硼（cBN）组成的复合材料）因其高硬度、高热导率和良好的化学稳定性，在机械加工、电子封装和热管理等领域具有广泛的应用前景。
本文将详细介绍放电等离子烧结技术在制备MAX-cBN复合材料中的应用及其优势。
二、放电等离子烧结技术概述放电等离子烧结（SPS）技术是一种利用脉冲电流进行加热的固相烧结方法。
它利用强大的电场产生高能量密度等离子体，将颗粒间隙内的空气排净，通过产生的焦耳热直接作用于颗粒，从而达到烧结目的。
这种方法能够有效地减小颗粒尺寸、增强材料性能、缩短制备周期。
三、MAX-cBN复合材料的制备（一）材料选择与配比在制备MAX-cBN复合材料时，选择合适的MAX相陶瓷和cBN粉末是关键。
MAX相陶瓷具有优异的力学性能和热稳定性，而cBN则以其高硬度、高热导率和良好的化学稳定性著称。
通过合理的配比，可以获得具有优异性能的MAX-cBN复合材料。
（二）放电等离子烧结过程在放电等离子烧结过程中，首先将MAX相陶瓷和cBN粉末混合均匀，然后放入模具中。
通过施加一定的压力和电压，利用脉冲电流产生的高能量密度等离子体进行烧结。
在烧结过程中，颗粒间的结合力逐渐增强，形成致密的复合材料。
四、放电等离子烧结技术的优势（一）高效率：放电等离子烧结技术能够在短时间内完成烧结过程，大大缩短了制备周期。
（二）低能耗：由于等离子体直接作用于颗粒，使得能量利用率高，降低了能耗。
（三）提高性能：放电等离子烧结技术可以减小颗粒尺寸，增强材料性能。
同时，高能量密度等离子体的作用使得颗粒间的结合力增强，有利于获得致密的复合材料。
五、实验结果与讨论通过放电等离子烧结技术制备的MAX-cBN复合材料具有优异的性能。
X射线衍射（XRD）分析表明，材料具有明显的MAX相和cBN相的特征峰；扫描电子显微镜（SEM）观察发现，材料具有致密的微观结构，颗粒间结合紧密；硬度测试表明，材料的硬度远高于单一MAX相陶瓷或cBN；热导率测试也显示出了良好的导热性能。
放电等离子体烧结技术讲解
材料合成与制备
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
材料合成与制备
1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但
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。
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。
材料合成与制备
由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国
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
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
材料合成与制备
9.2 SPS合成技术原理
9.2.1
等离子体烧结技术的概念
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。
材料合成与制备
图
9.2
放 电 等 离 子 体 形 成 的 机 理 示 意 图
实验九放电等离子体烧结(SPS)
实验九放电等离子体烧结(SPS)一、实验目的１了解放电等离子体烧结（ＳＰＳ）的基本原理；２熟悉放电等离子体烧结的设备。
二、实验原理固相烧结使颗粒产生化合物层或固溶体层，并互相结合在一起。
但无论何种情况，其先决条件是颗粒间必须发生传质，否则颗粒不可能结合，颗粒传质受两种因素影响：(1)颗粒的表面性质；(2)颗粒间近距离原子间作用力。
传统烧结时，颗粒表面具有惰性膜，且颗粒间无主动作用力，因而烧结时间较长。
SPS技术克服了上述缺点，新型的ＳＰＳ设备采用的是ＯＮ－ＯＦＦ直流脉冲电源。
在５０ＨＺ供电电源下，通过适当的变换，输出连续的方形脉冲（脉冲的时间为３.２ms），由于不断地有强脉冲电流加在粉末颗粒上，产生了诸多有利于快速烧结的效应。
1、由于脉冲电流是直接加在样品及模具上，发热快，传热快，因而烧结样品的升温快、时间短；2、样品颗粒间存在极小的间隙时，由于脉冲电压的存在，瞬间产生强电场，击穿间隙产生放电现象。
脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可以被击穿，使粉末得以净化、活化，有利于样品在较低低温度下烧结；3、带电粒子在电场的作用下快速移动，大大促进了粉末颗粒的原子扩散，其扩散系数比通常热压条件下要大的多，促进了粉末烧结的快速化；综上所述，具有如下烧结特点：(1)烧结温度低（比常规的热压烧结低100℃~200℃）、烧结时间短（一般在10 min左右）、可获得细小、均匀的组织，并能保持原始材料的自然状态；(2)能获得高致密度材料；(3)通过控制烧结组分与工艺,能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂材料。
图1、SPS实验装置图图2、SPS烧结阶段图3、SPS烧结原理图4、原子扩散示意图5、SPS烧结过程放电机理三、仪器与药品仪器：SPS-1050药品：SPS可烧结的样品极多，大致可分以下几大类：作为实验演示，选用药品：Al2O3、SrFe12O19在氧化铝陶瓷基体中生成硬磁铁氧体粒子，通过控制工艺条件使氧化铝与硬磁铁氧体粒子在界面上形成部分固溶的复合材料。
《放电等离子烧结及挤压成形规律仿真与试验研究》
《放电等离子烧结及挤压成形规律仿真与试验研究》篇一一、引言放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术作为一项新兴的先进材料制备技术，在制备金属基复合材料、陶瓷材料及各类高性能材料中展现出强大的潜力。
与此同时，挤压成形作为材料制备中的一种重要工艺，对于控制材料的微观结构与性能有着重要的影响。
本文针对放电等离子烧结技术及其与挤压成形工艺的组合进行仿真与试验研究，以期进一步推动这一技术的实际应用与发展。
二、放电等离子烧结技术概述放电等离子烧结技术是一种利用脉冲电流通过粉体样品产生瞬时高温高压环境，从而实现快速烧结的技术。
该技术具有烧结时间短、烧结温度低、烧结体性能优异等特点，广泛应用于材料制备领域。
三、仿真研究仿真研究是本文的重要部分，通过仿真研究可以更好地理解放电等离子烧结及挤压成形过程中的物理化学变化规律。
我们采用了先进的有限元分析方法，对放电等离子烧结过程中的电流分布、温度场分布、压力分布等进行了模拟分析。
同时，我们还研究了不同烧结参数对材料性能的影响，如温度、压力、脉冲电流的频率和幅度等。
这些仿真结果为后续的试验研究提供了理论支持。
四、试验研究在仿真研究的基础上，我们进行了系统的试验研究。
试验过程中，我们采用了不同的烧结参数和挤压成形工艺，对多种材料进行了放电等离子烧结及挤压成形的试验。
通过对比试验结果与仿真结果，我们发现仿真结果与实际试验结果具有较好的一致性，这进一步验证了我们的仿真模型和方法的可靠性。
同时，我们还研究了不同材料在放电等离子烧结及挤压成形过程中的变化规律，为优化工艺参数提供了依据。
五、结果与讨论通过对仿真与试验结果的分析，我们得出以下结论：1. 放电等离子烧结过程中，电流分布、温度场分布和压力分布对烧结体的性能具有重要影响。
通过优化这些参数，可以有效地提高烧结体的性能。
2. 挤压成形工艺对材料的微观结构和性能有着显著影响。
适当的挤压压力和温度有助于优化材料的微观结构，提高材料的性能。
《放电等离子烧结氧化锆陶瓷的制备及性能研究》
《放电等离子烧结氧化锆陶瓷的制备及性能研究》一、引言随着科技的不断进步，陶瓷材料因其独特的物理和化学性质在众多领域得到了广泛应用。
其中，氧化锆陶瓷因其高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性和生物相容性等特点，在医疗、电子、机械等领域具有广泛的应用前景。
放电等离子烧结技术作为一种新型的陶瓷制备技术，其独特的烧结方式和高效的能量利用率，使得制备高质量的氧化锆陶瓷成为可能。
本文旨在研究放电等离子烧结氧化锆陶瓷的制备过程及其性能表现。
二、放电等离子烧结技术概述放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是一种新型的陶瓷材料烧结技术。
该技术利用脉冲电流在压制样品上产生放电现象，使粉末颗粒在短时间内达到烧结所需的温度，从而完成陶瓷材料的烧结过程。
SPS技术具有加热速度快、烧结温度低、能量利用率高等优点，因此被广泛应用于各种陶瓷材料的制备。
三、放电等离子烧结氧化锆陶瓷的制备（一）实验材料实验主要采用高纯度氧化锆粉末作为原料，同时选用适当的添加剂以提高材料的性能。
（二）实验设备实验设备主要包括放电等离子烧结炉、粉末压机等。
（三）制备过程1. 将氧化锆粉末与添加剂混合均匀，然后进行压制成型。
2. 将压制好的样品放入放电等离子烧结炉中，设置适当的烧结参数。
3. 启动烧结程序，进行放电等离子烧结。
4. 烧结完成后，取出样品进行性能测试。
四、性能研究（一）密度与微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）观察烧结后样品的微观结构，发现SPS技术制备的氧化锆陶瓷具有致密的微观结构和良好的晶粒连接。
此外，样品的密度也较高，表明SPS技术可以有效地提高氧化锆陶瓷的致密度。
（二）力学性能对样品进行硬度、抗压强度等力学性能测试，发现SPS技术制备的氧化锆陶瓷具有较高的硬度值和抗压强度，表明其具有良好的力学性能。
（三）耐腐蚀性对样品进行耐腐蚀性测试，发现在不同的腐蚀环境中，SPS 技术制备的氧化锆陶瓷均表现出良好的耐腐蚀性，具有较高的化学稳定性。
放电等离子体烧结技术课件
▪ 2000年6月武汉理工大学购置了国内首台SPS装置。 ▪ 随后上海硅酸盐研究所、清华大学、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。
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放电等离子体烧结（SPS）简介
由于其独特的烧结机理, SPS技术具有升温速度快、烧 结温度低、烧结时间短、节能环保等特点, SPS已广泛 应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、磁性材料 、复合材料、陶瓷等材料的制备。
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放电等离子烧结（SPS）的应用
将1700 C下用SPS分别烧结3 min和5 min的样品与常规方法在1500 C烧结 72 h的样品对比可以看出使用SPS方法得到的样品所用时间更短, 致密性更 好。
放电等离子体烧结技术
Spark Plasma Sintering（SPS）
课程：材料合成与制备
1
目录
1. 放电等离子烧结（SPS）简介 2. 放电等离子烧结（SPS）的基本原理 3. 放电等离子烧结（SPS）的优缺点 4. 放电等离子烧结（SPS）的应用
2
放电等离子体烧结（SPS）简介
SPS的发展
▪ 1930年, 美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理, 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。 ▪ 由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点, 近几年国内外许多大学和科研机构
《2024年放电等离子烧结制备立方氮化硼-钛-铝复合材料》范文
《放电等离子烧结制备立方氮化硼-钛-铝复合材料》篇一放电等离子烧结制备立方氮化硼-钛-铝复合材料一、引言随着科技的进步和工业的快速发展，复合材料因其优异的性能在各个领域得到了广泛的应用。
立方氮化硼（c-BN）、钛（Ti）和铝（Al）作为三种具有独特性能的材料，其复合材料具有广泛的应用前景。
本文将详细介绍放电等离子烧结（SPS）技术在制备立方氮化硼/钛/铝复合材料中的应用。
二、放电等离子烧结技术简介放电等离子烧结（SPS）技术是一种利用脉冲直流电场作用，在颗粒间产生放电现象，进而促进材料致密化和结合的新型烧结技术。
其基本原理是在较低温度和较短的时间内，通过高电流脉冲和压力的共同作用，使材料达到致密化。
SPS技术具有烧结温度低、时间短、材料性能优异等优点，因此在复合材料的制备中得到了广泛应用。
三、立方氮化硼/钛/铝复合材料的制备1. 材料选择与预处理本实验选用高纯度的立方氮化硼、钛粉和铝粉作为原料。
在制备前，需要对原料进行预处理，如干燥、研磨和过筛等，以保证原料的粒度和纯度。
2. 混合与成型将预处理后的立方氮化硼、钛粉和铝粉按照一定比例混合均匀，并采用压力成型法制成预制块。
3. 放电等离子烧结将成型后的预制块放入SPS烧结炉中，设置合适的烧结温度、压力和电流等参数，进行放电等离子烧结。
在烧结过程中，通过控制电场强度和电流大小，使颗粒间产生放电现象，从而促进材料的致密化和结合。
四、结果与讨论1. 显微结构分析通过SEM（扫描电子显微镜）观察立方氮化硼/钛/铝复合材料的显微结构，可以发现材料具有致密的微观结构，颗粒间结合紧密，无明显孔洞和缺陷。
2. 性能分析对制备的立方氮化硼/钛/铝复合材料进行性能测试，包括硬度、强度、导电性和耐磨性等。
结果表明，该复合材料具有优异的力学性能、导电性能和耐磨性能，可满足不同领域的应用需求。
3. 影响因素分析在放电等离子烧结过程中，烧结温度、压力、电流等参数对复合材料的性能具有重要影响。
放电等离子烧结技术详解
放电等离子烧结技术详解[导读]放电等离子烧结(SPS)，又称等离子活化烧结或等离子辅助烧结，是近年发展起来的一种快速、节能、环保的材料制备加工新技术，可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间复合材料等一系列新型材料的烧结。
一、放电等离子烧结技术的特点SPS的主要特点是利用加热和表面活化实现材料的超快速致密化烧结，其具有升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、加热均匀、生产效率高、节约能源等优点，除此之外由于等离子体的活化和快速升温烧结的综合作用，抑制了晶粒的长大，保持了原始颗粒的微观结构，从而在本质上提高了烧结体的性能，并使得最终的产品具有组织细小均匀、能保持原材料的自然状态、致密度高等特点，与热压烧结和热等静压烧结相比，SPS装置操作简单。
二、放电等离子烧结技术的烧结机理SPS是集等离子活化、热压和电阻加热为一体的烧结技术。
对于SPS的烧结机理，一般认为，SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的表面活化作用和自发热作用，因而产生了SPS过程所特有的有益于烧结的现象。
施加直流开关脉冲电流的作用SPS烧结系统主要由轴向压力装置、水冷冲头电极、真空腔体、气氛控制系统、直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量和安全控制单元等几部分组成；其中最主要的是通-断脉冲电源，通过通-断脉冲电源可以产生放电等离子体、焦耳热、放电冲击压和电场辅助扩散效应。
离子烧结设备结构示意图三、放电等离子烧结技术的应用SPS烧结升温速度快，烧结时间短，既可以用于低温、高压（500~1000MPa），又可以用于低压（20~30MPa）、高温（1000~2000℃）的烧结，因此可广泛的应用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结。
适合SPS制备的材料1、制备纳米材料纳米材料因其具有高强度高塑性而具有广阔的应用前景，如何抑制晶粒的长大是获得纳米材料的关键。
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放电等离子烧结（SPS）技术
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SPS工艺特点
与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是： • 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10～1/20。 • 烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟 ，其加热速度可以高达106℃/s，自动化生产小型制件时的 生产率可达400件/h。
SPS技术制备梯度功能材料 梯度功能材料 (FGMs) 是一种组成在某个方向上梯度分布的 复合材料,在金属和陶瓷粘合时由于二者烧结致密的温度相
差较大 , 且界面的膨胀系数不同而产生热应力 , 给材料的制
备带来困难,而应用SPS方法可以很好的克服这一难点,实现 烧结温度的梯度分布。通过 SPS 技术可以制造陶瓷 / 金属、 聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导 电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层。
2
SPS技术机理
SPS 过程除具有 热压烧结的焦耳热和 加压造成的塑性变形 促进烧结过程外,还 在粉末颗粒间产生直 流脉冲电压,并有效 利用了粉体颗粒间放 电产生的自发热作用, 因而产生了一些 SPS 过程特有的现象,如 图2所示。
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS 的烧结有两个非常重 要的步骤 , 首先由特殊电源产生 的直流脉冲电压 , 在粉体的空隙 产生放电等离子 , 由放电产生的 高能粒子撞击颗粒间的接触部分, 使物质产生蒸发作用而起到净化 和活化作用 , 电能贮存在颗粒团 的介电层中 , 介电层发生间歇式 快速放电,如图3所示。 等离子体的产生可以 净化 金属颗粒表面 , 提高烧结活性 , 降 低金属原子的扩散自由能 , ）技术
当脉冲电压达到一定值时,粉体间的绝缘层被击穿而放 电,使粉体颗粒产生自发热 ,进而使其高速升温。粉体颗粒 高速升温后 ,晶粒间结合处通过扩散迅速冷却 ,电场的作用 因离子高速迁移而高速扩散 , 通过重复施加开关电压 ,放电 点在压实颗粒间移动而布满整个粉体。使脉冲集中在晶粒 结合处是SPS过程的一个特点。 颗粒之间放电时会产生局部高温,在颗粒表面引起蒸发 和熔化,在颗粒接触点形成颈部 ,由于热量立即从发热中心 传递到颗粒表面和向四周扩散,颈部快速冷却而使蒸气压低 于其他部位。气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法 的蒸发-凝固传递是SPS过程的另一个重要特点。 晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用,体扩散、 晶界扩散都得到加强 ,加速了烧结致密化过程 ,因此用较低 的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。
放电等离子烧结（SPS）技术
主讲人：谢新凤 班级： 材料四班 学号： 20113493
放电等离子烧结（SPS）技术
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简介
系统结构 及机理
工艺特点
应用
放电等离子烧结（SPS）技术
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SPS技术简介
• 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。 • 该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高 温场来实现烧结过程 ,对于实现优质高效、低耗低成本的 材料制备具有重要意义。在纳米材料、复合材料等的制备 中显示了极大的优越性 , 现已应用于金属、陶瓷、复合材 料以及功能材料的制备。 • 目前，国内外许多大学和科研机构利用 SPS 进行新材料的 研究与开发,并对其烧结机理与特点进行深入研究,而其快 速升温的特点,可作为制备纳米块体材料的有效手段。
放电等离子烧结（SPS）技术
• 采用石墨模具，成本低，加工方便。 • 大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。 • 脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。 • 节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。
放电等离子烧结（SPS）技术
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SPS技术应用
SPS可加工材料
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备纳米材料
纳米材料以其独特的性能特点 , 引起材料学界的关注 , 但纳 米晶块体材料的较为有效和实用的制备方法目前还在研究 探索之中。 SPS技术由于烧结时间大大缩短,可以抑制晶粒的长大,因此， 有望获得致密的纳米材料。
放电等离子烧结（SPS）技术
放电等离子烧结（SPS）技术
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SPS技术系统结构
将 金 属等 粉 末 装 入由 石墨等材质制成的模具内 ，利用上、下模冲和通电 电极将特定烧结电源和压 制压力施加在烧结粉末。 经放电活化、热塑变形和 冷却阶段完成制取高性能 材料或制件。 是将电能和 机械能同时赋于烧结粉末 的一种新工艺。
放电等离子烧结（SPS）技术
放电等离子烧结（SPS）技术
SPS技术制备高致密度、细晶粒陶瓷 在SPS过程中,每一个粉末及其相互间的孔隙都是发热源, 因此烧结时传热时间极短,可以忽略不计,烧结温度也大 为降低,因此可获得高致密的细晶或纳米晶陶瓷材料。
参考文献： 王 松，谢 明，张吉明，等.放电等离子烧结技术进展 [J]. 贵金属，2012, 33(3)：73-77. 冯海波，周 玉，贾德昌．放电等离子烧结技术的原理及 应用[J]．材料科学与工艺，2003，11(3)：327-331．
Thank you !