放电等离子烧结(SPS)技术

《放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料》篇一一、引言随着科技的发展，复合材料在工业领域的应用越来越广泛。

其中，MAX-cBN（以MAX相和立方氮化硼为主要成分的复合材料）因其独特的物理和化学性质，在切削工具、耐磨材料、高温超导等领域具有广泛的应用前景。

制备高质量的MAX-cBN复合材料成为了研究热点。

其中，放电等离子烧结技术以其高效、低能耗和环保的优点被广泛运用于复合材料的制备中。

本文旨在研究放电等离子烧结技术在制备MAX-cBN复合材料中的应用及效果。

二、放电等离子烧结技术简介放电等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering, SPS）是一种新型的材料制备技术。

其基本原理是利用脉冲电流在颗粒间产生放电等离子体，利用该等离子的高热能来实现材料的高效烧结。

相比于传统的烧结技术，SPS具有更高的烧结速度、更低的能耗、更好的微观结构和更大的密度等优点。

三、MAX-cBN复合材料的制备本部分将详细介绍如何利用放电等离子烧结技术制备MAX-cBN复合材料。

1. 材料选择与预处理：选择高质量的MAX相和cBN粉末作为原料，进行必要的预处理如干燥、混合等，以保证后续的烧结过程。

2. 装料与烧结：将预处理后的原料装入放电等离子烧结设备中，设定适当的烧结参数如温度、压力、电流等，进行烧结。

3. 后续处理：烧结完成后，对样品进行必要的后续处理如冷却、清洗等。

四、实验结果与分析本部分将详细展示放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料的结果，并进行详细的分析。

1. 微观结构分析：通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段对样品的微观结构进行分析，观察其晶粒形态、大小及分布等。

2. 性能测试：对样品的硬度、强度、耐磨性等性能进行测试，分析其性能与微观结构的关系。

3. 结果讨论：结合实验结果和前人研究，讨论放电等离子烧结技术在制备MAX-cBN复合材料中的应用效果及优势。

五、结论通过本文的研究，我们可以得出以下结论：1. 放电等离子烧结技术可以有效地制备出高质量的MAX-cBN复合材料，其微观结构和性能均达到较高水平。

《放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料》篇一一、引言在当前的工业应用中，高性能的复合材料以其卓越的物理和化学性能受到广泛关注。

其中，MAX-cBN（由MAX相陶瓷和立方氮化硼（cBN）组成的复合材料）因其高硬度、高热导率和良好的化学稳定性，在机械加工、电子封装和热管理等领域具有广泛的应用前景。

本文将详细介绍放电等离子烧结技术在制备MAX-cBN复合材料中的应用及其优势。

二、放电等离子烧结技术概述放电等离子烧结（SPS）技术是一种利用脉冲电流进行加热的固相烧结方法。

它利用强大的电场产生高能量密度等离子体，将颗粒间隙内的空气排净，通过产生的焦耳热直接作用于颗粒，从而达到烧结目的。

这种方法能够有效地减小颗粒尺寸、增强材料性能、缩短制备周期。

三、MAX-cBN复合材料的制备（一）材料选择与配比在制备MAX-cBN复合材料时，选择合适的MAX相陶瓷和cBN粉末是关键。

MAX相陶瓷具有优异的力学性能和热稳定性，而cBN则以其高硬度、高热导率和良好的化学稳定性著称。

通过合理的配比，可以获得具有优异性能的MAX-cBN复合材料。

（二）放电等离子烧结过程在放电等离子烧结过程中，首先将MAX相陶瓷和cBN粉末混合均匀，然后放入模具中。

通过施加一定的压力和电压，利用脉冲电流产生的高能量密度等离子体进行烧结。

在烧结过程中，颗粒间的结合力逐渐增强，形成致密的复合材料。

四、放电等离子烧结技术的优势（一）高效率：放电等离子烧结技术能够在短时间内完成烧结过程，大大缩短了制备周期。

（二）低能耗：由于等离子体直接作用于颗粒，使得能量利用率高，降低了能耗。

（三）提高性能：放电等离子烧结技术可以减小颗粒尺寸，增强材料性能。

同时，高能量密度等离子体的作用使得颗粒间的结合力增强，有利于获得致密的复合材料。

五、实验结果与讨论通过放电等离子烧结技术制备的MAX-cBN复合材料具有优异的性能。

X射线衍射（XRD）分析表明，材料具有明显的MAX相和cBN相的特征峰；扫描电子显微镜（SEM）观察发现，材料具有致密的微观结构，颗粒间结合紧密；硬度测试表明，材料的硬度远高于单一MAX相陶瓷或cBN；热导率测试也显示出了良好的导热性能。

实验九放电等离子体烧结(SPS)一、实验目的１了解放电等离子体烧结（ＳＰＳ）的基本原理；２熟悉放电等离子体烧结的设备。

二、实验原理固相烧结使颗粒产生化合物层或固溶体层，并互相结合在一起。

但无论何种情况，其先决条件是颗粒间必须发生传质，否则颗粒不可能结合，颗粒传质受两种因素影响：(1)颗粒的表面性质；(2)颗粒间近距离原子间作用力。

传统烧结时，颗粒表面具有惰性膜，且颗粒间无主动作用力，因而烧结时间较长。

SPS技术克服了上述缺点，新型的ＳＰＳ设备采用的是ＯＮ－ＯＦＦ直流脉冲电源。

在５０ＨＺ供电电源下，通过适当的变换，输出连续的方形脉冲（脉冲的时间为３.２ms），由于不断地有强脉冲电流加在粉末颗粒上，产生了诸多有利于快速烧结的效应。

1、由于脉冲电流是直接加在样品及模具上，发热快，传热快，因而烧结样品的升温快、时间短；2、样品颗粒间存在极小的间隙时，由于脉冲电压的存在，瞬间产生强电场，击穿间隙产生放电现象。

脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可以被击穿，使粉末得以净化、活化，有利于样品在较低低温度下烧结；3、带电粒子在电场的作用下快速移动，大大促进了粉末颗粒的原子扩散，其扩散系数比通常热压条件下要大的多，促进了粉末烧结的快速化；综上所述，具有如下烧结特点：(1)烧结温度低（比常规的热压烧结低100℃~200℃）、烧结时间短（一般在10 min左右）、可获得细小、均匀的组织，并能保持原始材料的自然状态；(2)能获得高致密度材料；(3)通过控制烧结组分与工艺,能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂材料。

图1、SPS实验装置图图2、SPS烧结阶段图3、SPS烧结原理图4、原子扩散示意图5、SPS烧结过程放电机理三、仪器与药品仪器：SPS-1050药品：SPS可烧结的样品极多，大致可分以下几大类：作为实验演示，选用药品：Al2O3、SrFe12O19在氧化铝陶瓷基体中生成硬磁铁氧体粒子，通过控制工艺条件使氧化铝与硬磁铁氧体粒子在界面上形成部分固溶的复合材料。

放电等离子体烧结技术（SPS）一、S PS合成技术的发展▪最初实现放电产生“等离子体”的人是以发现电磁感应法则而知名的法拉第（M.Farady），他最早发现在低压气体中放电可以分别观测到相当大的发光区域和不发光的暗区。

▪ngmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对应的振动。

他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态为“等离子体”。

等离子体特效图▪1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。

日本获得了SPS技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。

▪SPS技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。

▪1988年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广应用。

▪1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10~100t 的烧结压力和5000~8000A脉冲电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。

▪1996年，日本组织了产学官联合的SPS研讨会，并每年召开一次。

▪由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用SPS进行新材料的开发和研究。

▪1998年瑞典购进SPS烧结系统，对碳化物、氧化物、生物陶瓷登材料进行了较多的研究工作。

▪目前全世界共有SPS装置100多台。

如日本东北大学、大阪大学、美国加利福尼亚大学、瑞典斯德哥尔摩大学、新加坡南洋理工大学等大学及科研机构相继购置了SPS系统。

▪我国近几年也开展了利用SPS技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS烧结系统，主要用于纳米材料和陶瓷材料的烧结合成。

▪最早在1979年，我国钢铁研究总院自主研发制造了国内第一台电火花烧结机，用以批量生产金属陶瓷模具，产生了良好的社会经济效益。

放电等离子烧结技术详解[导读]放电等离子烧结(SPS)，又称等离子活化烧结或等离子辅助烧结，是近年发展起来的一种快速、节能、环保的材料制备加工新技术，可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间复合材料等一系列新型材料的烧结。

一、放电等离子烧结技术的特点SPS的主要特点是利用加热和表面活化实现材料的超快速致密化烧结，其具有升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、加热均匀、生产效率高、节约能源等优点，除此之外由于等离子体的活化和快速升温烧结的综合作用，抑制了晶粒的长大，保持了原始颗粒的微观结构，从而在本质上提高了烧结体的性能，并使得最终的产品具有组织细小均匀、能保持原材料的自然状态、致密度高等特点，与热压烧结和热等静压烧结相比，SPS装置操作简单。

二、放电等离子烧结技术的烧结机理SPS是集等离子活化、热压和电阻加热为一体的烧结技术。

对于SPS的烧结机理，一般认为，SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的表面活化作用和自发热作用，因而产生了SPS过程所特有的有益于烧结的现象。

施加直流开关脉冲电流的作用SPS烧结系统主要由轴向压力装置、水冷冲头电极、真空腔体、气氛控制系统、直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量和安全控制单元等几部分组成；其中最主要的是通-断脉冲电源，通过通-断脉冲电源可以产生放电等离子体、焦耳热、放电冲击压和电场辅助扩散效应。

离子烧结设备结构示意图三、放电等离子烧结技术的应用SPS烧结升温速度快，烧结时间短，既可以用于低温、高压（500~1000MPa），又可以用于低压（20~30MPa）、高温（1000~2000℃）的烧结，因此可广泛的应用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结。

适合SPS制备的材料1、制备纳米材料纳米材料因其具有高强度高塑性而具有广阔的应用前景，如何抑制晶粒的长大是获得纳米材料的关键。

放电等离子烧结放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。

放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。

同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。

1 前言随着高新技术产业的发展，新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加，材料新的功能呼唤新的制备技术。

放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是制备功能材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。

2 国内外SPS的发展与应用状况SPS技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，因此在有的文献上也被称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结（plasma activated sintering-PAS或plasma-assisted sintering-PAS）[1,2]。

早在1930年，美国科学家就提出了脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。

日本获得了SPS技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。

1988年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广使用。

1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10～100t 的烧结压力和脉冲电流5000～8000A。

最近又研制出压力达500t，脉冲电流为25000A的大型SPS装置。

由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，并利用SPS进行新材料的研究和开发[3]。

场辅助烧结技术
场辅助烧结技术，也被称为放电离子束烧结（SPS）或电场辅助烧结技术，是一种新型的烧结技术。

其主要特点是通过直流脉冲作用在粉体上，使表面产生等离子体化，从而促使粉体活化实现致密化烧结。

这种技术主要从以下两方面促进烧结：
1. 通过脉冲电流引起焦耳加热，在粉体的内部均匀加热，而不是传统的外部热传导方式，这有助于促进烧结过程。

2. 直流脉冲电流作用在粉体上，使粉体之间通过火花放电形成高温等离子体，形成电子云的交叠，从而活化粉体并促进烧结。

在烧结过程中，SPS主腔体还可以在粉体上施加双向压力，辅助烧结并促使粉体收缩，以达到在低温下烧结致密化的效果。

与其他常规烧结技术相比，SPS在烧结粉体时具有更低的烧结温度、更快的升降温速率、更短的烧结时间，因此可以有效节省能源并降低制备成本。

此外，通过SPS烧结的样品晶粒均匀、密度高，并且力学性能良好。

以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议咨询材料学专家或查阅相关文献资料。

《放电等离子烧结制备MAX-cBN复合材料》篇一一、引言随着科技的发展，复合材料在工业领域的应用越来越广泛。

其中，MAX-cBN（主要为碳化物与立方氮化硼）复合材料以其优异的物理、化学及机械性能，成为了一种重要的复合材料。

放电等离子烧结技术（SPS）以其独特的优势，如高能量密度、低热应力、精确的温度控制等，在制备MAX-cBN复合材料中展现出强大的潜力。

本文旨在深入探讨放电等离子烧结制备MAX-cBN 复合材料的工艺过程、性能特点及其应用前景。

二、放电等离子烧结技术概述放电等离子烧结（SPS）技术是一种新型的烧结技术，其基本原理是利用脉冲直流电场在粉末颗粒间产生放电现象，通过放电产生的热量和等离子体的作用，使粉末颗粒在短时间内达到烧结状态。

这种技术具有烧结温度低、烧结时间短、烧结体性能优异等优点。

三、MAX-cBN复合材料的制备1. 材料选择与预处理：选择高质量的MAX相和cBN粉末作为原料，进行充分的干燥和研磨处理，以提高其表面活性和均匀性。

2. 混合与成型：将预处理后的MAX相和cBN粉末按照一定比例混合，并通过压力成型为所需的形状。

3. 放电等离子烧结：将成型后的样品置于SPS设备中，设定合适的温度、压力和时间等参数，进行放电等离子烧结。

四、MAX-cBN复合材料的性能特点MAX-cBN复合材料具有优异的物理、化学及机械性能。

其硬度高、耐磨性好、热稳定性强，同时具有良好的导电性和导热性。

此外，其优异的抗腐蚀性能和高温性能也使其在许多领域具有广泛的应用前景。

五、应用前景MAX-cBN复合材料在机械制造、航空航天、电子信息等领域具有广泛的应用前景。

例如，可以用于制造高精度的切削工具、耐磨零件、高温结构件等。

此外，其优异的导电性和导热性也使其在电子封装、散热器件等领域具有潜在的应用价值。

六、结论放电等离子烧结技术为制备MAX-cBN复合材料提供了一种有效的途径。

通过优化工艺参数，可以获得具有优异性能的MAX-cBN复合材料。