放電等離子燒結技術研究現狀與發展趨勢

SPS技術研究現狀

    粉末冶金技術具有短流程、節能耗、低成本、少加工等一系列優點，可自由組裝材料結構從而精確調控材料性能，是綠色制造技術的重要發展方向。而放電等離子燒結技術具有快速、低溫、節能、環保、操作簡便、產品性能優異等優勢，廣泛應用于金屬、陶瓷、硬質合金、梯度功能材料等方面，是目前關注度最高的新型制備技術和工藝之一。

 

       SPS技術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行燒結或者連接的一種快速成型的制備方法，是20世紀90年代以來開始研究的一種快速燒結新工藝。相比于傳統的熱壓燒結技術，除了通電產生焦耳熱和加壓產生的塑性變形促進燒結之外，還在壓實粉末樣品上施加了由特殊電源產生的直流脈沖電壓，因此會產生特有的促進燒結現象（該部分在前期公眾號文章中有詳細介紹，本期不再贅述）。

 

        SPS裝置主要包括壓力系統、真空系統、水冷系統、測溫系統、電源及控制系統等。由于SPS獨特的技術和明顯的工藝優勢，自1990年日本推出可用于新材料研究開發和工業生產的SPS設備以來，SPS技術和設備突飛猛進，開拓了制造業的新領域。

 

 

    我司研發生產的實驗設備可加工直徑300mm的樣品，壓力可達5T-400T，最大輸出電流為3000A-48000A，設備通用性強，可滿足從研發階段到產品試制階段的使用要求。

 

圖1.上海皓越電爐技術有限公司生產的SPS放電等離子燒結設備

 

SPS技術發展趨勢

 

1、產業化

    與傳統燒結方法相比，SPS技術在節約能源和時間、提高生產效率、產品性能可控等諸多方面具有明顯的優勢，目前日本已實現SPS的產業化應用，主要用于生產磁性材料、硬質合金、梯度功能材料等。如日本太田精器已經實現了100% WC超硬材料的SPS量產，產品提供給日本國內外40多家電機、電子零部件、工具、模具等廠家。然而國內對于SPS技術仍處于實驗室研究階段，多用于新材料的制備和工藝的研究。

 

2、燒結體形狀多樣化

    因燒結機理與石墨模具的限制，目前SPS制備的樣品主要為簡單的圓柱體，難以制備復雜形狀的工件，不能滿足實際工程需要。

 

圖2.常用的石墨模具

 

3、燒結模具的性能優化

    石墨具有耐高溫性、優良的導電導熱性、化學穩定性、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，石墨材料強度低、壽命短且容易對燒結材料造成污染。目前已報道的有硬質合金模具、導電陶瓷模具、碳纖維石墨模具等，但存在高溫易變形、價格昂貴等問題，因此，為了更好地利用SPS技術，需進一步開發強度更高、重復使用率高、無污染的新型模具材料。

 

4、結合有限元模擬進一步發展

       SPS特殊工作環境，一般方法無法對燒結過程、成形機理、影響因素等方面進行準確的分析，獲取燒結過程中的溫度、位移等參數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。目前已有報道通過ABAQUS、MATLAB以及MSC.MARC等軟件對燒結過程進行模擬，可獲得燒結過程中的溫度場分布及電場分布，分析各燒結參數對燒結過程的具體影響，對于SPS燒結機理的進一步研究、試驗結果的前期預測、生產的理論指導具有重要的意義。

 

展望

    放電等離子燒結技術自出現以來，因其低溫、短時、高效的特點得到了快速的發展。在難熔金屬、硬質合金、陶瓷材料、高導熱材料等領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機理目前仍存在爭議，仍需大量的試驗、理論研究來完善，在模具、工藝等方面還需要進一步探索。

    上海皓越電爐技術有限公司一直專注于半導體材料、碳材料、先進陶瓷與復合材料和鋰電材料四大行業，擁有豐富的行業經驗和專業技術，竭誠服務于客戶，提供完善的一體化產業解決方案。