火花等离子烧结（SPS）通过利用脉冲直流电（DC）和同步高压来实现优越的致密化，在技术上比传统的无压烧结具有决定性的优势。该方法能够实现高达100 °C/min的加热速率，极大地缩短了工艺时间，并生产出晶粒更细、硬度更高的陶瓷。
SPS炉的核心优势在于其能够将致密化与晶粒生长解耦。通过在快速加热循环中施加机械压力，SPS能够使液相合金在陶瓷晶粒粗化之前完成孔隙填充，从而得到密度和硬度显著提高的材料。
快速致密化的力学原理
通过脉冲直流电直接加热
与依赖外部加热元件加热炉腔的传统方法不同，工业SPS炉采用脉冲直流电。
该电流通过石墨模具和样品，直接在内部产生热量。这种机制能够实现极快的加热速率，高达100 °C/min。
同步加压的作用
在材料加热的同时，炉子施加了显著的机械压力。
这种压力不仅仅是为了约束；它能主动地将材料颗粒推到一起。这种机械辅助对于致密化高熵合金掺杂的碳化硼（B4C）陶瓷至关重要，因为这类陶瓷以难烧结而闻名。
更短的保温时间
由于目标温度能够快速达到，并且压力辅助了整个过程，因此材料在峰值温度下的保温时间大大缩短。
这种热暴露时间的减少是保持材料微观结构完整性的主要因素。
对微观结构和性能的影响
抑制晶粒粗化
在传统烧结中，长时间的保温通常会导致晶粒粗化，即晶粒长大并降低材料的机械强度。
SPS工艺的快速加热和短保温时间能有效抑制这种生长。因此，最终的陶瓷保留了细晶粒的微观结构，这直接关系到硬度的提高。
增强液相分布
热量和压力的结合促进了高熵合金作为液相的行为。
施加的压力将这种液相物理地推入B4C颗粒之间的孔隙中。这导致了无压烧结通常会留下的空隙得到全面填充。
实现优越的密度
消除孔隙和抑制晶粒生长的累积效应是高度致密的微观结构。
这种密度是通过SPS制备的B4C陶瓷硬度和耐久性提高的物理基础。
操作区别：主动式 vs. 被动式烧结
施加力的必要性
需要考虑的主要权衡是SPS是一种主动的、依赖力的过程，而无压烧结是被动的。
为了获得所描述的致密、细晶粒的烧结结果，该过程在很大程度上依赖于机械压力的精确施加。没有这种主动压缩，液相合金将无法有效地填充孔隙到相同的程度，从而抵消了快速加热周期的优势。
为您的制造目标做出正确选择
如果您正在评估高熵合金掺杂B4C的制造方法，请考虑您的具体材料要求：
- 如果您的主要关注点是最大化硬度：选择SPS，利用其抑制粗化产生的细晶粒微观结构。
- 如果您的主要关注点是消除孔隙：选择SPS，利用机械压力将液相合金推入填充内部空隙。
SPS通过利用速度和压力来锁定材料特性，从而改变了制造过程，而传统方法则会因时间和热暴露而侵蚀这些特性。
总结表：
| 特性 | 火花等离子烧结（SPS） | 传统无压烧结 |
|---|---|---|
| 加热机制 | 内部（脉冲直流电） | 外部（辐射/对流） |
| 加热速率 | 高达100 °C/min | 通常 < 10 °C/min |
| 机械压力 | 主动（同步） | 无（被动） |
| 晶粒结构 | 细晶粒（抑制生长） | 粗晶粒（由于保温时间长） |
| 致密化 | 快速且高（孔隙填充） | 缓慢且有限 |
| 材料硬度 | 优越 | 标准 |
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参考文献
- Alberto Daniel Rico-Cano, Gültekin Göller. Corrosion Behavior and Microhardness of a New B4C Ceramic Doped with 3% Volume High-Entropy Alloy in an Aggressive Environment. DOI: 10.3390/met15010079
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
