放电等离子体烧结技术课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,完整编辑ppt,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,完整编辑ppt,*,放电等离子体烧结技术,教学课件,1,完整编辑ppt,目录,9.1 SPS,合成技术的发展,9.2,等离子体烧结技术原理,9.,3,等离子体放电烧结的工艺,9.,4,等离子体放电烧结在应用举例,2,完整编辑ppt,9.1,SPS,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法拉第,3,完整编辑ppt,I.Langmuir,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,4,完整编辑ppt,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,10100t,的烧结压力和,50008000A,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5,完整编辑ppt,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6,完整编辑ppt,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7,完整编辑ppt,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8,完整编辑ppt,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9,完整编辑ppt,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10,完整编辑ppt,第二类,是低温等离子体（亦称冷等离子体）,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,1.3310,4,Pa,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在低压下产生，压力小于,1.3310,4,Pa,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（,10,4,K,）而气体的温度相对比较低（,10,2,10,3,K,），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11,完整编辑ppt,等离子体,放射线,放射线同位素,X,射线,粒子加速器,反应堆,场致电离,冲击波,燃烧,放电,直流放电,低频放电,高频放电,微波放电,感应放电,真空紫外光,激光,宇宙天体,上层大气,辉光下游的利用,图,9.1,等离子体的主要产生途径,12,完整编辑ppt,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,）13,完整编辑ppt,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。

14,完整编辑ppt,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：,烧结速度快；,改进陶瓷显微结构和提高材料的性能,15,完整编辑ppt,放电等离子烧结融,等离子活化,、,热压,、,电阻加热,为一体，,升温速度快,、,烧结时间短,、,烧结温度低,、,晶粒均匀,、有利于控制烧结体的,细微结构,、获得材料的,致密度高,，并且有着,操作简单,、,再现性高,、,安全可靠,、,节省空间,、,节省能源,及,成本低,等优点16,完整编辑ppt,9.2.2,等离子体烧结技术的原理,SPS,烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧结的中间过程还有待于进一步研究SPS,的制造商,Sumitomo,公司的,M.Tokita,最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：,粉末颗粒微区还存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，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17,完整编辑ppt,图,9.2,放电等离子体形成的机理示意图,18,完整编辑ppt,目前一般认为,：,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自发热作用，因而产生了一些,SPS,过程特有的现象。

19,完整编辑ppt,关,开,现象,产生放电等离子,蒸发、熔化、纯化,产生放电冲击压力,局部应力和喷发,产生焦耳热,局部高温,电场作用,高速等离子迁移,脉冲电流和电压,热扩散,热由高温点转移,效果,技术优势,表面活化,低温、短时烧结,高速扩散,高速材料转移,有效加热,塑性变形提高,烧结难烧结材料,（不需催化剂）,连接不相溶材料,高密度能量供应,放电点弥散运动,晶内快速冷却,晶内快速冷却,短时烧结,短时均匀烧结,烧结非晶材料,烧结纳米材料,低温、短时烧结,图,9.3,SPS,中施加直流开关脉冲电流的作用,20,完整编辑ppt,第一,，由于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被击穿，使粉末得以净化、活化；,第二,，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化,;,第三,，,ON-OFF,快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化。

使脉冲集中在晶粒结合处是,SPS,过程的一个特点21,完整编辑ppt,SPS,过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至,1,万度的局部高温，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汽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22,完整编辑ppt,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SPS,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,S.W.Wang,和,L.D.Chen,等人分别对导电,Cu,粉和非导电,Al,2,O,3,粉进行,SPS,烧结研究，认为,导电材料和非导电材料存在不同的烧结机理,，导电粉体中存在焦耳热效应和脉冲放电效应，而非导电粉体的烧结，主要源于模具的热传导23,完整编辑ppt,放电等离子烧结的中间过程和现象十分复杂，许多科学家们对,SPS,的烧结过程建立了模型U.Anselmi-Tamburini,等对,SPS,过程中的电流和温度的分布进行了模拟，认为温度的分布和电流的分布紧密相关。

a,）温度分布 （,b,）热流分布,图,9.4,非导电材料,(Al,2,O,3,)SPS,烧结时计算的温度分布和热流分布,24,完整编辑ppt,图,9.5,非导电（,Al,2,O,3,）和导电（,Cu,）材料计算的径向温度分布,可以看出，非导电粉体在径向方向上存在大的温度梯度，这必将导致烧结体形成不均匀的化学组分和微观结构电流的分布和辐射热损失是导致试样和模具外表面存在温度梯度的主要原因25,完整编辑ppt,9.2.3,等离子体烧结技术的适用范围,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26,完整编辑ppt,纳米材料,传统的热压烧结、热等静压等方法制备纳米材料，很难保证晶粒的纳米尺寸，又达到完全致密的要求利用,SPS,技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化利用,SPS,技术，因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化利用,SPS,能快速降温这一特点来控制烧结过程的反应历程，避免一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中的缺陷和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在更广泛的意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特别有利于制备纳米材料。

27,完整编辑ppt,梯度功能材料,梯度功能材料,(FGM),是一种组成在某个方向上梯。