放电等离子烧结技术的发展和应用(doc12)

放电等离子烧结技术的开展和应用 1 前言 随着高新技术产业的开展,新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加,材料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｉｎｇ,简称ＳＰＳ是制备功能材料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料,也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。 2 国内外ＳＰＳ的开展与应用状况 ＳＰＳ技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结,因此在有的文献上也被称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结ｐｌａｓｍａａｃｔｉｖａｔｅｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ-ＰＡＳ或ｐｌａｓｍａ-ａｓｓｉｓｔｅｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ-ＰＡＳ[1,2]。早在1930年,美国科学家就提出了脉冲电流烧结原理,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。 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的烧结压力和脉冲电流5000～8000Ａ。最近又研制出压力达500ｔ,脉冲电流为25000Ａ的大型ＳＰＳ装置。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,并利用ＳＰＳ进行新材料的研究和开发[3]。1998年瑞典购进ＳＰＳ烧结系统,对碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料进行了较多的研究工作[4]。 国内近三年也开展了用ＳＰＳ技术制备新材料的研究工作[1,3],引进了数台ＳＰＳ烧结系统,主要用来烧结纳米材料和陶瓷材料[5～8]。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。 3 ＳＰＳ的烧结原理 31 等离子体和等离子加工技术[9,10] ＳＰＳ是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定鼓励下的一种物质状态,是除固态、液态和气态以外,物质的第四种状态。等离子体是电离气体,由大量正负带电粒子和中性粒子组成,并表现出集体行为的一种准中性气体。 等离子体是解离的高温导电气体,可提供反响活性高的状态。等离子体温度4000～10999℃,其气态分子和原子处在高度活化状态,而且等离子气体内离子化程度很高,这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。 等离子体加工技术已得到较多的应用,例如等离子体ＣＶＤ、低温等离子体ＰＶＤ以及等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子刻蚀方面,在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。而等离子体的另一个很有潜力的应用领域是在陶瓷材料的烧结方面[1]。 产生等离子体的方法包括加热、放电和光鼓励等。放电产生的等离子体包括直流放电、射频放电和微波放电等离子体。ＳＰＳ利用的是直流放电等离子体。 32 ＳＰＳ装置和烧结根本原理 ＳＰＳ装置主要包括以下几个局部轴向压力装置;水冷冲头电极;真空腔体;气氛控制系统真空、氩气;直流脉冲电源及冷却水、位移测量、温度测量和平安等控制单元。ＳＰＳ的根本结构如图1所示。 ＳＰＳ与热压ＨＰ有相似之处,但加热方式完全不同,它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用[11]。ＳＰＳ烧结时脉冲电流通过粉末颗粒如图2所示。在ＳＰＳ烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒外表活化。与自身加热反响合成法ＳＨＳ和微波烧结法类似,ＳＰＳ是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热法,热效率极高,放电点的弥散分布能够实现均匀加热,因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。ＳＰＳ烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外,在ＳＰＳ技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使外表局部熔化、外表物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击去除了粉末颗粒外表杂质如去除表层氧化物等和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程[1,9,12]。 4 ＳＰＳ的工艺优势 ＳＰＳ的工艺优势十清楚显加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度的材料,可以烧结梯度材料以及复杂工件等[3,11]。与ＨＰ和ＨＩＰ相比,ＳＰＳ装置操作简单、不需要专门的熟练技术。文献[11]报道,生产一块直径100ｍｍ、厚17ｍｍ的ＺｒＯ23Ｙ/不锈钢梯度材料ＦＧＭ用的总时间是58ｍｉｎ,其中升温时间28ｍｉｎ、保温时间5ｍｉｎ和冷却时间25ｍｉｎ。与ＨＰ相比,ＳＰＳ技术的烧结温度可降低100～200℃[13]。 5 ＳＰＳ在材料制备中的应用 目前在国外,尤其在日本开展了较多用ＳＰＳ制备新材料的研究,局部产品已投入生产。ＳＰＳ可加工的材料种类如表1所示。除了制备材料外,ＳＰＳ还可进行材料连接,如连接ＭｏＳｉ2与石墨[14],ＺｒＯ2/Ｃｅｒｍｅｔ/Ｎｉ等[15]。 近几年,国内外用ＳＰＳ制备新材料的研究主要集中在陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物,复合材料纳米材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料,它包括热电材料[16]、磁性材料[17],功能梯度材料[18],复合功能材料[19]和纳米功能材料[20]等。对ＳＰＳ制备非晶合金、形状记忆合金[21]、金刚石等也作了尝试,取得了较好的结果。 51 功能梯度材料 功能梯度材料ＦＧＭ的成分是梯度变化的,各层的烧结温度不同,利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用ＣＶＤ、ＰＶＤ等方法制备梯度材料,本钱很高,也很难实现工业化。采用阶梯状的石墨模具,由于模具上、下两端的电流密度不同,因此可以产生温度梯度。利用ＳＰＳ在石墨模具中产生的梯度温度场,只需要几分钟就可烧结好成分配比不同的梯度材料。目前ＳＰＳ成功制备的梯度材料有不锈钢/ＺｒＯ2;Ｎｉ/ＺｒＯ2;Ａｌ/高聚物;Ａｌ/植物纤维;ＰＳＺ/Ｔｉ等梯度材料。 在自蔓延燃烧合成ＳＨＳ中,电场具有较大激活效应和作用,特别是场激活效应可以使以前不能合成的材料也能成功合成,扩大了成分范围,并能控制相的成分,不过得到的是多孔材料,还需要进一步加工提高致密度。利用类似于ＳＨＳ电场激活作用的ＳＰＳ技术,对陶瓷、复合材料和梯度材料的合成和致密化同时进行,可得到65ｎｍ的纳米晶,比ＳＨＳ少了一道致密化工序[22]。 利用ＳＰＳ可制备大尺寸的ＦＧＭ,目前ＳＰＳ制备的尺寸较大的ＦＧＭ体系是ＺｒＯ23Ｙ/不锈钢圆盘,尺寸已到达100ｍｍ17ｍｍ[23]。 用普通烧结和热压ＷＣ粉末时必须参加添加剂,而ＳＰＳ使烧结纯ＷＣ成为可能。用Ｓ