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放電等離子體燒結：高技術陶瓷制備的福音

來源：時間：2023-12-12 10:20:08 瀏覽：5999次

放電等離子燒結（SPS）是電流活化/輔助燒結技術的一種，通過機械壓力、電場和熱場相結合，增強粒子間的結合和致密化。放電等離子燒結采用了與熱壓工藝相同的沖壓/模具系統概念：粉體放在模具中，壓在兩個反向滑動的沖頭之間，機械載荷通常是單軸的。

但是，兩者在加熱方式上有著根本上的不同，熱壓燒結通過發熱體輻射加熱，放電等離子燒結是通過模具或樣品的電流產生焦耳熱。這種加熱方式可以獲得高達1000℃/min的升溫速率，大大縮短了升溫時間。

此外，電流還可通過激活一個或多個并行機制來增強粉體燒結，例如表面氧化物去除、電遷移和電塑性。電流的應用和較高的升溫速率是放電等離子燒結技術的最典型特征。

SPS燒結裝置示意圖

上世紀90年代，日本實現了SPS設備的實用化之后，SPS在陶瓷領域的應用得到廣泛的發展。目前，我國和日本依然是SPS設備的使用與研究最多的國家。SPS小型設備已經實用化，大大降低了購買成本，因此國內SPS的使用以及對新材料的探索研究會得到進一步提升。

超高溫陶瓷材料

在耐高溫的陶瓷材料中，熔點大于3000℃的被分類為陶瓷的一個特殊類別，稱為超高溫陶瓷。超高溫的化合物有氧化鉿、氧化釷、碳化鉭、碳化鉿等。這些材料主要應用在高速飛行器的外面的保護層，因高速飛行器（速度達10馬赫）在極短的時間，其溫度就可以達到2000℃以上，因此需要超高溫耐氧化的陶瓷材料。

由于超高溫材料的熔點高，又有較強的共價鍵，自擴散率比較低，在超高溫陶瓷的燒結過程中，面臨斷裂韌性不高的問題。為了解決和改善該問題，可以在原料中添加增韌的顆粒或者纖維等，形成復合陶瓷基體。采用SPS燒結方法可以在相對較低的溫度下，進行陶瓷的致密性燒結。

透明陶瓷

透明陶瓷不僅有良好的光學透明性和光學特性，還擁有陶瓷的高強度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優點，在照明技術、高溫高壓環境中的視窗材料、整流罩、坦克透明裝甲等領域，有著無比優越的應用優勢。研究人員使用放電等離子燒結和熱處理的方法制備了透明鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷，結果顯示BST樣品的密度接近理論，樣品是透明的，Ba_o.3Sr_o.7TiO₃和Ba_o.4Sr_o.6TiO₃陶瓷在633nm處的透射率均超過74%。這種快速的燒結技術可以在快速的加溫中快速致密陶瓷粉體，以致陶瓷的粒徑比較小，而且燒結溫度比較低。

另有研究人員利用熱壓和SPS燒結技術制備了MgO透明陶瓷，結果發現SPS燒結1min，氧化鎂陶瓷粉體出現明顯的收縮，而熱壓方法在150s時才出現明顯的體積收縮；在150MPa時，800℃、2min的SPS工藝方法，即可獲得完全致密的粒徑為52nm的MgO透明透明陶瓷。

生物陶瓷

生物陶瓷由于其獨特的理化性質和生物相容性，在牙科、骨骼和關節種植等醫學領域得到了迅速的發展。其中的羥基磷灰石及復合材料一般是磷酸鈣基陶瓷，這是目前骨科和頜面外科首選的骨替代材料，如髖關節和牙科種植體。

其中羥基磷灰石（HA）構成天然骨的主要無機成分，HA作為生物醫學應用的替代材料引起了相當大的關注，因為它能夠促進骨在其表面的附著和生長。然而，HA陶瓷的低強度和低斷裂韌性等較差的機械性能，嚴重限制了其在承重領域的應用。

為了克服這些問題可以從材料的致密度入手，制備致密度高、晶粒小的的材料，同時在制備過程中，添加增強劑或者顆粒達到增強斷裂韌性和強度。SPS技術克服了傳統陶瓷燒結過程中的長時間和密度低的問題，大直流脈沖加熱允許粉體顆粒能夠快速升溫（升溫速率達1000°C/min），從而在極短的時間內完成樣品的致密化。短的燒結時間對于保持納米復合材料中碳納米材料的結構和性能，以及抑制HA陶瓷中的晶粒生長至關重要，從而獲得致密的納米結構陶瓷。

納米陶瓷

納米陶瓷是納米技術的一個分支，是平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。陶瓷具有硬度大、耐磨性、耐腐蝕、不會老化等優點，但是陶瓷的脆性大是它的最大的問題，研究發現可以通過添加吸收能量的單元，提高陶瓷的斷裂韌性，減小臨界裂紋尺寸，同時發現晶粒尺寸的減小、晶界的增加，可以增加陶瓷的抗斷裂的韌性。納米陶瓷的高韌性為解決陶瓷的韌性帶來了希望。

研究人員利用共沉淀的方法獲得納米氧化鋅粉體，使用微波燒結和SPS兩種燒結方法制備氧化鋅陶瓷，結果顯示微波燒結的氧化鋅陶瓷在900℃時才達到最致密，利用SPS方法在550℃時，氧化鋅的密度已經能達到理論密度的98.5%。

微波介電陶瓷

SPS燒結技術在微波陶瓷上的應用，也體現出比較明顯的優勢。研究人員采用固態燒結（SSS）和放電等離子燒結（SPS）兩種方法制備了類方石英結構的BPO₄陶瓷，固相燒結時，溫度為1200℃，樣品才出現明顯的收縮和晶粒長大現象，但在該溫度下BPO₄嚴重升華，陶瓷樣品的相對密度僅為74.6%。而SPS燒結的樣品在1000℃，保溫10min的燒結程序下，陶瓷的相對密度為92.7%，遠優于固相燒結的結果。

壓電陶瓷

PbZrO₃-PbTiO₃（PZT）壓電材料中含有重金屬Pb，現在開發利用無鉛的壓電材料，也是目前壓電陶瓷研究的一個熱點。放電等離子體燒結技術，在制備壓電陶瓷中，發揮自己的獨特快速加熱優勢，較短時間內致密化陶瓷樣品，同時所得壓電陶瓷的性能也會得到一定的提升與優化。

研究人員在燒結PZT的陶瓷中，使用了傳統燒結、熱壓燒結和SPS燒結的三種燒結方法，結果顯示傳統燒結的陶瓷中缺陷空隙氣孔的分布不均勻，熱壓的結果好于傳統的方法，能得到致密的陶瓷，但是燒結過程會出現玻璃相，而SPS的方法在快速燒結后，晶粒停止生長，消除了團聚，最終獲得沒有缺陷和氣孔均一的壓電陶瓷。

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