等離子體燒結的技術原理和應用領域

SPS燒結機理目前還沒有達成較為統一的認識，其燒結的中間過程還有待于

進一步研究。

目前一般認為：SPS過程除具有熱壓燒結的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促

進燒結過程外，還在粉末顆粒間產生直流脈沖電壓，并有效利用了粉體顆粒

間放電產生的自發熱作用，因而產生了一些SPS過程特有的現象 。

SPS中施加直流開關脈沖電流的作用 ：

*，由于脈沖放電產生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高

速流動，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被

擊穿，使粉末得以凈化、活化；

第二，由于脈沖是瞬間、斷續、高頻率發生，在粉末顆粒未接觸部位產生的

放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產生的焦耳熱，都大大促進了粉末顆粒原子

的擴散，其擴散系數比通常熱壓條件下的要大得多，從而達到粉末燒結的快

速化;

第三，ON- OFF快速脈沖的加入，使粉末內的放電部位及焦耳發熱部件，都

會快速移動，使粉末的燒結能夠均勻化。使脈沖集中在晶粒結合處是SPS過

程的一個特點。

SPS過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產生高達幾千度至1萬度的局部高溫，

在顆粒表面引起蒸發和熔化，在顆粒接觸點形成頸部，由于熱量立即從發熱

中心傳遞到顆粒表面和向四周擴散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位

。

氣相物質凝聚在頸部形成高于普通燒結方法的蒸發-凝固傳遞是SPS過程的另

一個重要特點。 晶粒受脈沖電流加熱和垂直單向壓力的作用，體擴散、晶

界擴散都得到加強，加速了燒結致密化過程，因此用較低的溫度和比較短的

時間可得到高質量的燒結體。SPS過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加

壓綜合作用的結果。S. W. Wang和L. D.Chen等人分別對導電Cu粉和非導電

Al2O3粉進行SPS燒結研究，認為導電材料和非導電材料存在不同的燒結機理

，導電粉體中存在焦耳熱效應和脈沖放電效應，而非導電粉體的燒結，主要

源于模具的熱傳導。

放電等離子燒結的中間過程和現象十分復雜，許多科學家們對SPS的燒結過

程建立了模型。U.Anselmi-Tamburini等對SPS過程中的電流和溫度的分布進

行了模擬，認為溫度的分布和電流的分布緊密相關。

SPS設備為非常特殊的新型材料的制造提供了可能，諸如，

*可以再晶粒無顯著長大的狀態下燒結出納米材料，

*功能梯度材料

*復合材料

*碳化鎢或其他硬質材料

*結構陶瓷和功能陶瓷。