什么是放电等离子烧结法？实现快速、高密度的材料固结

从本质上讲，放电等离子烧结（SPS）是一种先进的粉末固结技术，它利用同时施加的单轴压力和脉冲直流电流，将松散的粉末转化为致密、坚固的材料。这个过程发生得非常快，只需几分钟即可实现完全致密化，而传统方法则需要数小时。

放电等离子烧结不仅仅是一种更快的加热材料的方法。它是一种根本不同的方法，利用电场直接激活粉末颗粒，从而能够在较低的温度和更高的速度下实现致密化，从而保留对高性能材料至关重要的细晶粒微观结构。

SPS 如何重新定义烧结：核心机制

传统烧结就像一个普通烤箱；它从外部缓慢加热材料。SPS，也称为场辅助烧结技术（FAST），更像是液压机和定向内部加热系统的结合体。

该过程首先将粉末材料装入导电模具中，该模具几乎总是由石墨制成。然后将此模具放置在真空室内的两个压头之间。

通过压头施加单轴机械压力，压实松散的粉末。排空腔室以产生真空或充入受控气氛，以防止氧化和污染。

一旦设定了压力和气氛，高电流、脉冲式的直流电 (DC) 就会通过压头和石墨模具。这个电流是整个过程的关键，它通过两种主要效应产生强烈的热量。

主要的效应是焦耳热。石墨模具的电阻，以及（如果导电的话）样品粉末本身的电阻，会产生快速而均匀的热量。这会从外部（来自模具）和内部（来自粉末内部）加热样品。

次要效应是产生火花等离子体放电在粉末颗粒之间的空隙中，这也是该方法名称的由来。这种短暂的等离子体有助于清除颗粒表面的氧化物和杂质，从而增强结合。

强烈的、均匀的热量与恒定的机械压力相结合，使粉末颗粒发生塑性变形。颗粒在其接触点键合，它们之间的孔隙被消除。

由于加热速率可高达1000°C/分钟，材料几乎瞬间达到其烧结温度。这使得整个致密化过程可以在非常短的保持时间内完成，通常只需几分钟。

SPS 提供了明显的优势，使其成为生产先进陶瓷、复合材料和新型合金的首选方法。

SPS 最显着的优势在于其速度。通过消除传统炉中漫长的加热、保温和冷却时间，SPS 将生产周期从数小时大大缩短至一小时以内。

SPS 通常在比传统烧结低几百摄氏度的温度下实现完全致密化。这一点至关重要，因为高温和长时间的暴露会导致有害的晶粒长大，从而降低材料的机械性能。

通过最大限度地减少温度和时间，SPS 在生产纳米结构或细晶粒材料方面表现出色，保留了源自这些微小特征的独特性能。

内部焦耳热与来自模具的外部加热相结合，确保了样品内部高度均匀的温度分布。这与施加的压力一起，有效地消除了孔隙率，并持续生产出具有接近理论密度的材料。

尽管 SPS 功能强大，但它并非万能的解决方案。了解其局限性是有效使用它的关键。

标准的 SPS 工艺依赖于导电石墨模具，这限制了最高加工温度，并可能导致敏感材料中出现碳污染。此外，单轴加压设置将样品几何形状限制为相对简单的形状，如圆盘、圆柱体和方形。

尽管“放电等离子烧结”是通用名称，但许多专家更喜欢更准确的术语场辅助烧结技术（FAST）。这是因为研究表明，焦耳热是主要的机制，并且致密化并不总是需要持续存在等离子体。

与传统炉相比，SPS 系统是专业的，代表着巨大的资本投入。虽然它非常适合研究、开发和高价值部件的生产，但将其工艺扩展到非常大的部件或大批量制造仍然是一个挑战。

决定是否使用 SPS 完全取决于您的材料和性能目标。

SPS 是一项变革性技术，通过对致密化过程进行精确控制，为创造下一代材料提供了支持。