放电等离子烧结工艺有哪些步骤？掌握快速、高密度材料固结

其核心，放电等离子烧结（DPS）——在现代研究中更常被称为放电等离子烧结（SPS）——是一种固结过程，它利用脉冲直流电和机械压力将粉末粘合成为致密的固体。基本步骤包括将材料装入导电模具，施加压力，然后将高安培电流直接通过粉末压块，这会产生强烈、快速的热量并促进烧结。

放电等离子烧结的关键区别在于其加热机制。与传统炉子外部加热腔室不同，SPS将材料本身作为加热元件，从而大大加快了处理时间，并保留了在较慢方法中通常会丢失的细晶粒微观结构。

SPS工艺的逐步分解

为了理解SPS如何实现其结果，最好将该过程视为一系列独立的操作系统步骤，从粉末装载到最终固结部件。

将起始粉末材料仔细称重并装入导电模具中，该模具几乎总是由石墨制成。该模具组件还包括将传输电流和机械压力的石墨冲头。

将整个模具组件放入真空腔室中。然后将腔室抽真空至低压，以除去空气并防止粉末和石墨工具氧化，尤其是在高温下。

通过冲头对粉末压块施加机械的单轴压力。这种初始压力确保了良好的颗粒间接触，这对于均匀的电流流动和加热至关重要。

这是SPS工艺的决定性步骤。激活高安培、低电压的脉冲直流电源。电流直接流经石墨冲头，并且关键是流经粉末压块本身。

粉末和模具的电阻产生强烈而快速的焦耳热。同时，据信在粉末颗粒之间的接触点会发生火花放电，产生局部过热，从而清洁表面并显著加速扩散和结合。

持续的压力和快速加热的结合使粉末在几分钟内固结成致密的固体。一旦达到所需的密度或温度曲线，电流就会关闭，样品会迅速冷却。然后将部件从模具中弹出。

通过将其与真空烧结和热压等更传统的方法进行比较，可以最好地理解SPS的价值。

SPS使用直接内部加热（焦耳热）。传统的真空或热压炉使用间接外部加热，其中加热元件加热整个炉腔，热量通过辐射缓慢传递到材料。这是SPS速度如此之快的主要原因。

在传统烧结中，致密化纯粹由热能在很长一段时间内（数小时）驱动。在SPS中，脉冲电流提供了额外的驱动力。“火花等离子体”效应积极地帮助分解氧化层并激活颗粒表面，从而使烧结过程远远超出单独热量所能达到的效果。

典型的SPS循环在5到20分钟内完成。真空炉或热压炉中类似的循环可能需要8到24小时。这种速度是SPS最显著的工业和研究优势。

虽然功能强大，但SPS并非万能解决方案。了解其局限性是有效使用它的关键。

在几分钟内固结材料的能力实现了传统炉子无法实现的高通量研发。

极短的加工时间和快速加热/冷却速率可防止不必要的晶粒生长。这使得能够生产具有优异机械性能的纳米晶或细晶粒材料。

SPS主要限于盘状和圆柱体等简单几何形状，这些形状可以单轴压制。生产大型或复杂组件非常具有挑战性，而且通常不切实际。

当电流能均匀流动时，该过程效果最佳。虽然陶瓷等非导电材料也可以烧结，但它需要使用导电模具（石墨）作为主要的加热元件，这使得该过程不如导电材料效率高。

选择正确的烧结方法完全取决于您材料和应用所需的结果。

了解这些基本的工艺差异是选择最有效的固结技术以实现您的材料和目标的关键。