中國粉體網(wǎng)訊 放電等離子燒結（SPS）是電流活化/輔助燒結技術的一種,，通過機械壓力,、電場和熱場相結合,，增強粒子間的結合和致密化,。放電等離子燒結采用了與熱壓工藝相同的沖壓/模具系統(tǒng)概念：粉體放在模具中,，壓在兩個反向滑動的沖頭之間,，機械載荷通常是單軸的,。
但是，兩者在加熱方式上有著根本上的不同,，熱壓燒結通過發(fā)熱體輻射加熱,，放電等離子燒結是通過模具或樣品的電流產(chǎn)生焦耳熱。這種加熱方式可以獲得高達1000℃/min的升溫速率,，大大縮短了升溫時間,。
此外，電流還可通過激活一個或多個并行機制來增強粉體燒結,，例如表面氧化物去除,、電遷移和電塑性。電流的應用和較高的升溫速率是放電等離子燒結技術的最典型特征,。
SPS燒結裝置示意圖
上世紀90年代,，日本實現(xiàn)了SPS設備的實用化之后，SPS在陶瓷領域的應用得到廣泛的發(fā)展,。目前,，我國和日本依然是SPS設備的使用與研究最多的國家。SPS小型設備已經(jīng)實用化,，大大降低了購買成本,，因此國內(nèi)SPS的使用以及對新材料的探索研究會得到進一步提升,。
超高溫陶瓷材料
在耐高溫的陶瓷材料中,，熔點大于3000℃的被分類為陶瓷的一個特殊類別,，稱為超高溫陶瓷。超高溫的化合物有氧化鉿,、氧化釷,、碳化鉭、碳化鉿等,。這些材料主要應用在高速飛行器的外面的保護層,，因高速飛行器（速度達10馬赫）在極短的時間，其溫度就可以達到2000℃以上,，因此需要超高溫耐氧化的陶瓷材料,。
由于超高溫材料的熔點高，又有較強的共價鍵,，自擴散率比較低,，在超高溫陶瓷的燒結過程中，面臨斷裂韌性不高的問題,。為了解決和改善該問題,，可以在原料中添加增韌的顆粒或者纖維等,，形成復合陶瓷基體,。采用SPS燒結方法可以在相對較低的溫度下，進行陶瓷的致密性燒結,。
透明陶瓷
透明陶瓷不僅有良好的光學透明性和光學特性,，還擁有陶瓷的高強度、耐高溫,、耐腐蝕,、絕緣性好等優(yōu)點，在照明技術,、高溫高壓環(huán)境中的視窗材料,、整流罩、坦克透明裝甲等領域,，有著無比優(yōu)越的應用優(yōu)勢,。研究人員使用放電等離子燒結和熱處理的方法制備了透明鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷，結果顯示BST樣品的密度接近理論,，樣品是透明的,，Bao.3Sro.7TiO3和Bao.4Sro.6TiO3陶瓷在633nm處的透射率均超過74%。這種快速的燒結技術可以在快速的加溫中快速致密陶瓷粉體,，以致陶瓷的粒徑比較小,，而且燒結溫度比較低,。
另有研究人員利用熱壓和SPS燒結技術制備了MgO透明陶瓷，結果發(fā)現(xiàn)SPS燒結1min,，氧化鎂陶瓷粉體出現(xiàn)明顯的收縮,，而熱壓方法在150s時才出現(xiàn)明顯的體積收縮；在150MPa時,，800℃,、2min的SPS工藝方法，即可獲得完全致密的粒徑為52nm的MgO透明透明陶瓷,。
生物陶瓷
生物陶瓷由于其獨特的理化性質(zhì)和生物相容性,，在牙科、骨骼和關節(jié)種植等醫(yī)學領域得到了迅速的發(fā)展,。其中的羥基磷灰石及復合材料一般是磷酸鈣基陶瓷,，這是目前骨科和頜面外科首選的骨替代材料，如髖關節(jié)和牙科種植體,。
其中羥基磷灰石（HA）構成天然骨的主要無機成分,，HA作為生物醫(yī)學應用的替代材料引起了相當大的關注，因為它能夠促進骨在其表面的附著和生長,。然而,，HA陶瓷的低強度和低斷裂韌性等較差的機械性能，嚴重限制了其在承重領域的應用,。
為了克服這些問題可以從材料的致密度入手,，制備致密度高、晶粒小的的材料,，同時在制備過程中,，添加增強劑或者顆粒達到增強斷裂韌性和強度。SPS技術克服了傳統(tǒng)陶瓷燒結過程中的長時間和密度低的問題,，大直流脈沖加熱允許粉體顆粒能夠快速升溫（升溫速率達1000°C/min）,，從而在極短的時間內(nèi)完成樣品的致密化。短的燒結時間對于保持納米復合材料中碳納米材料的結構和性能,，以及抑制HA陶瓷中的晶粒生長至關重要,，從而獲得致密的納米結構陶瓷。
納米陶瓷
納米陶瓷是納米技術的一個分支,，是平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料,。陶瓷具有硬度大、耐磨性,、耐腐蝕,、不會老化等優(yōu)點，但是陶瓷的脆性大是它的最大的問題，研究發(fā)現(xiàn)可以通過添加吸收能量的單元,，提高陶瓷的斷裂韌性,，減小臨界裂紋尺寸，同時發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸的減小,、晶界的增加,，可以增加陶瓷的抗斷裂的韌性。納米陶瓷的高韌性為解決陶瓷的韌性帶來了希望,。
研究人員利用共沉淀的方法獲得納米氧化鋅粉體,，使用微波燒結和SPS兩種燒結方法制備氧化鋅陶瓷,，結果顯示微波燒結的氧化鋅陶瓷在900℃時才達到最致密,，利用SPS方法在550℃時，氧化鋅的密度已經(jīng)能達到理論密度的98.5%,。
微波介電陶瓷
SPS燒結技術在微波陶瓷上的應用,，也體現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢。研究人員采用固態(tài)燒結（SSS）和放電等離子燒結（SPS）兩種方法制備了類方石英結構的BPO4陶瓷,，固相燒結時,，溫度為1200℃，樣品才出現(xiàn)明顯的收縮和晶粒長大現(xiàn)象,，但在該溫度下BPO4嚴重升華,，陶瓷樣品的相對密度僅為74.6%。而SPS燒結的樣品在1000℃,，保溫10min的燒結程序下,，陶瓷的相對密度為92.7%，遠優(yōu)于固相燒結的結果,。
壓電陶瓷
PbZrO3-PbTiO3（PZT）壓電材料中含有重金屬Pb,，現(xiàn)在開發(fā)利用無鉛的壓電材料，也是目前壓電陶瓷研究的一個熱點,。放電等離子體燒結技術,，在制備壓電陶瓷中，發(fā)揮自己的獨特快速加熱優(yōu)勢,，較短時間內(nèi)致密化陶瓷樣品,，同時所得壓電陶瓷的性能也會得到一定的提升與優(yōu)化。
研究人員在燒結PZT的陶瓷中,，使用了傳統(tǒng)燒結,、熱壓燒結和SPS燒結的三種燒結方法，結果顯示傳統(tǒng)燒結的陶瓷中缺陷空隙氣孔的分布不均勻,，熱壓的結果好于傳統(tǒng)的方法,，能得到致密的陶瓷，但是燒結過程會出現(xiàn)玻璃相,，而SPS的方法在快速燒結后,，晶粒停止生長,，消除了團聚，最終獲得沒有缺陷和氣孔均一的壓電陶瓷,。
參考來源：
[1]鄭立仁：放電等離子體燒結法制備釩酸鉍,、氧化鋅陶瓷及其性質(zhì)的研究，山東大學
[2]閆星亨等：放電等離子燒結B4C研究進展,，國防科技大學空天科學學院
[3]熊順進：碳化硅基陶瓷的放電等離子燒結及強韌化研究,，廣東工業(yè)大學
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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