SPS技術(shù)研究現(xiàn)狀

    粉末冶金技術(shù)具有短流程、節(jié)能耗、低成本、少加工等一系列優(yōu)點(diǎn)，可自由組裝材料結(jié)構(gòu)從而精確調(diào)控材料性能，是綠色制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。而放電等離子燒結(jié)技術(shù)具有快速、低溫、節(jié)能、環(huán)保、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)品性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷、硬質(zhì)合金、梯度功能材料等方面，是目前關(guān)注度最高的新型制備技術(shù)和工藝之一。

 

       SPS技術(shù)是在模具和粉末顆粒之間或塊體樣品中直接通入脈沖電流進(jìn)行燒結(jié)或者連接的一種快速成型的制備方法，是20世紀(jì)90年代以來開始研究的一種快速燒結(jié)新工藝。相比于傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)技術(shù)，除了通電產(chǎn)生焦耳熱和加壓產(chǎn)生的塑性變形促進(jìn)燒結(jié)之外，還在壓實(shí)粉末樣品上施加了由特殊電源產(chǎn)生的直流脈沖電壓，因此會(huì)產(chǎn)生特有的促進(jìn)燒結(jié)現(xiàn)象（該部分在前期公眾號(hào)文章中有詳細(xì)介紹，本期不再贅述）。

 

        SPS裝置主要包括壓力系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)等。由于SPS獨(dú)特的技術(shù)和明顯的工藝優(yōu)勢(shì)，自1990年日本推出可用于新材料研究開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的SPS設(shè)備以來，SPS技術(shù)和設(shè)備突飛猛進(jìn)，開拓了制造業(yè)的新領(lǐng)域。

 

 

    我司研發(fā)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可加工直徑300mm的樣品，壓力可達(dá)5T-400T，最大輸出電流為3000A-48000A，設(shè)備通用性強(qiáng)，可滿足從研發(fā)階段到產(chǎn)品試制階段的使用要求。

 

圖1.上海皓越電爐技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SPS放電等離子燒結(jié)設(shè)備

 

SPS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

 

1、產(chǎn)業(yè)化

    與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，SPS技術(shù)在節(jié)約能源和時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品性能可控等諸多方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前日本已實(shí)現(xiàn)SPS的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，主要用于生產(chǎn)磁性材料、硬質(zhì)合金、梯度功能材料等。如日本太田精器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100% WC超硬材料的SPS量產(chǎn)，產(chǎn)品提供給日本國內(nèi)外40多家電機(jī)、電子零部件、工具、模具等廠家。然而國內(nèi)對(duì)于SPS技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，多用于新材料的制備和工藝的研究。

 

2、燒結(jié)體形狀多樣化

    因燒結(jié)機(jī)理與石墨模具的限制，目前SPS制備的樣品主要為簡(jiǎn)單的圓柱體，難以制備復(fù)雜形狀的工件，不能滿足實(shí)際工程需要。

 

圖2.常用的石墨模具

 

3、燒結(jié)模具的性能優(yōu)化

    石墨具有耐高溫性、優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性以及良好的潤滑和抗磨性而被作為SPS常用模具材料。然而，石墨材料強(qiáng)度低、壽命短且容易對(duì)燒結(jié)材料造成污染。目前已報(bào)道的有硬質(zhì)合金模具、導(dǎo)電陶瓷模具、碳纖維石墨模具等，但存在高溫易變形、價(jià)格昂貴等問題，因此，為了更好地利用SPS技術(shù)，需進(jìn)一步開發(fā)強(qiáng)度更高、重復(fù)使用率高、無污染的新型模具材料。

 

4、結(jié)合有限元模擬進(jìn)一步發(fā)展

       SPS特殊工作環(huán)境，一般方法無法對(duì)燒結(jié)過程、成形機(jī)理、影響因素等方面進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，獲取燒結(jié)過程中的溫度、位移等參數(shù)變化也存在一定的誤差，因此有限元模擬成為了SPS新的研究手段之一。目前已有報(bào)道通過ABAQUS、MATLAB以及MSC.MARC等軟件對(duì)燒結(jié)過程進(jìn)行模擬，可獲得燒結(jié)過程中的溫度場(chǎng)分布及電場(chǎng)分布，分析各燒結(jié)參數(shù)對(duì)燒結(jié)過程的具體影響，對(duì)于SPS燒結(jié)機(jī)理的進(jìn)一步研究、試驗(yàn)結(jié)果的前期預(yù)測(cè)、生產(chǎn)的理論指導(dǎo)具有重要的意義。

 

展望

    放電等離子燒結(jié)技術(shù)自出現(xiàn)以來，因其低溫、短時(shí)、高效的特點(diǎn)得到了快速的發(fā)展。在難熔金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷材料、高導(dǎo)熱材料等領(lǐng)域的材料制備方面取得了重要研究成果。但其中間過程的燒結(jié)機(jī)理目前仍存在爭(zhēng)議，仍需大量的試驗(yàn)、理論研究來完善，在模具、工藝等方面還需要進(jìn)一步探索。

    上海皓越電爐技術(shù)有限公司一直專注于半導(dǎo)體材料、碳材料、先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料和鋰電材料四大行業(yè)，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)，竭誠服務(wù)于客戶，提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。