放電等離子體燒結（SPS）是一種快速燒結方法,在低的大氣壓下利用軸向力和脈沖電流對粉末進(jìn)行高速加熱固化的燒結技術(shù)。這種加熱方式能夠施加非常高的加熱溫度，能夠大幅提升致密度（見(jiàn)下圖），將納米粉末的固有性質(zhì)保持在其致密的產(chǎn)品中。

      SPS系統的基本結構如下圖所示。該系統主要包含垂直加壓系統、水冷系統、氣氛控制系統，脈沖電流發(fā)生器和控制器等。粉末材料堆疊在燒結模具腔室中，在軸向壓力和脈沖電流的共同作用下，溫度迅速升高到高于環(huán)境溫度1000~2500℃，從而在幾分鐘內就能生產(chǎn)出高質(zhì)量的燒結體。

      SPS工藝基于電火花放電現象：，高能低壓的脈沖電流在局部顆粒之間瞬間產(chǎn)生高溫不發(fā)生火花等離子體放電，從而產(chǎn)生較好的熱和電離擴散。SPS燒結溫度范圍從低溫至超過(guò)2000℃，比常規燒結低200至500℃。對于SPS的燒結機理目前主要包括以下的過(guò)程：

1、等離子生成

    初由Inoue和SPS工藝發(fā)明者等人研究認為，脈沖電流在顆粒觸點(diǎn)之間產(chǎn)生高溫火花甚至等離子體，這也是該工藝被命名的原因。而Inoue等在之后的研究中認為由于火花放電引起的粒子接觸電離產(chǎn)生了“脈沖壓力”，促進(jìn)了原子在接觸處的擴散。Groza等研究提出脈沖電流在顆粒表面上具有清潔效果，而顆粒之間沒(méi)有形成氧化。

    是否產(chǎn)生等離子體尚未通過(guò)實(shí)驗直接證實(shí)。因此，沒(méi)有確鑿的證據證明等離子體在SPS過(guò)程中的生成。等離子體放電的發(fā)生仍然存在爭議，但目前普遍認為放電現象會(huì )在微觀(guān)水平上發(fā)生。

2、電塑效應

    目前的研究認為脈沖電流通過(guò)金屬材料時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的定向漂移的自由電子。漂移電子群頻繁地定向撞擊位錯，會(huì )對位錯段產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似于外加應力的電子風(fēng)力，促進(jìn)位錯在其滑移面上的移動(dòng)。同時(shí)，施加脈沖電流時(shí)電能、熱能和應力是被瞬時(shí)輸入到材料中，原子的隨機熱運動(dòng)在脈沖電流瞬時(shí)沖擊力作用下獲得足夠的動(dòng)能離開(kāi)平衡位置，原子的擴散能力加強，位錯更容易滑移、攀移，從而提高了金屬的塑性。

3、焦耳加熱

    由于電流通過(guò)顆粒而引起的焦耳加熱有助于在機械壓力下焊接顆粒。導電顆粒表面上的強烈焦耳加熱效應通常會(huì )達到沸點(diǎn)，從而導致粉末表面的局部蒸發(fā)或清潔。

4、脈沖電流

    在燒結的過(guò)程中脈沖電流會(huì )產(chǎn)生：火花等離子體、火花沖擊壓力、焦耳加熱和電場(chǎng)擴散效應。

    相比于傳統的電燒結工藝，SPS工藝中粉末顆粒表面更容易凈化和活化，微觀(guān)水平下表現為原子，位錯，空位等更容易發(fā)生運動(dòng)，宏觀(guān)表現為材料更容易發(fā)生形變。在短時(shí)間內，較低溫度下更容易獲得高質(zhì)量的燒結體。下圖說(shuō)明了脈沖電流如何流過(guò)SPS燒結模具內的粉末顆粒。

      SPS工藝是一種電燒結技術(shù)，它將來(lái)自于脈沖發(fā)生器的脈沖電流施加到顆粒粉末上（見(jiàn)下圖），除了促進(jìn)上述燒結的因素外，發(fā)生在粉末顆粒之間的有效放電，也促進(jìn)了燒結。

    由火花等離子體和火花沖擊壓力產(chǎn)生的高溫濺射現象消除了存在于粉末顆粒表面上的吸附氣體和雜質(zhì)。

5、機械壓力

    當火花放電出現在間隙中或材料顆粒之間的接觸點(diǎn)處時(shí)，瞬間產(chǎn)生幾十到幾萬(wàn)攝氏度的局部高溫狀態(tài)（放電柱）。這導致SPS過(guò)程中粉末顆粒表面上的蒸發(fā)和熔化，并且在顆粒之間的接觸區域周?chē)纬?/font>“頸部”。下圖顯示了火花等離子體形成頸部的基本機制。

    圖a顯示了由于等離子體中的火花引起頸部形成的初始階段行為。熱量立即從火花放電柱的中心傳遞到球體表面并擴散，使得晶間結合部分快速冷卻。如圖b所示，其顯示了幾個(gè)頸部，脈沖在顆粒之間一個(gè)接一個(gè)地引起火花放電。即使單個(gè)顆粒，隨著(zhù)重復放電，在相鄰顆粒之間形成頸部的位置的數量也增加。圖c顯示了SPS燒結晶界的狀態(tài)，該燒結晶界在燒結進(jìn)一步發(fā)展后發(fā)生塑性變形。

    皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售電爐為一體的先進(jìn)型技術(shù)企業(yè)。公司一直專(zhuān)注于半導體材料、碳材料、先進(jìn)陶瓷與復合材料和鋰電材料四大行業(yè)，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)技術(shù)，竭誠服務(wù)于客戶(hù)，提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。