SPS的燒結(jié)原理
3.1等離子體和等離子加工技術(shù)[9，10]
SPS是利用放電等離子體進行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵下的一種物質(zhì)狀態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體，由大量正負帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。
等離子體是解離的高溫導(dǎo)電氣體，可提供反應(yīng)活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000～10999℃，其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài)，而且等離子氣體內(nèi)離子化程度很高，這些性質(zhì)使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術(shù)。
等離子體加工技術(shù)已得到較多的應(yīng)用，例如等離子體CVD、低溫等離子體PBD以及等離子體和離子束刻蝕等。目前等離子體多用于氧化物涂層、等離子刻蝕方面，在制備高純碳化物和氮化物粉體上也有一定應(yīng)用。而等離子體的另一個很有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是在陶瓷材料的燒結(jié)方面[1]。
產(chǎn)成等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵等。放電產(chǎn)生的等離子體包括直流放電、射頻放電和微波放電等離子體。SPS利用的是直流放電等離子體。
SPS裝置和燒結(jié)基本原理
SPS裝置主要包括以下幾個部分：軸向壓力裝置；水冷沖頭電極；真空腔體；氣氛控制系統(tǒng)（真空、氬氣）；直流脈沖及冷卻水、位移測量、溫度測量、和安全等控制單元。SPS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
SPS與熱壓（HP）有相似之處，但加熱方式完全不同，它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用[11]。SPS燒結(jié)時脈沖電流通過粉末顆粒如圖2所示。在SPS燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應(yīng)合成法（SHS）和微波燒結(jié)法類似，SPS是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進行燒結(jié)的。SPS燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進燒結(jié)的因素外，在SPS技術(shù)中，顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)（如去處表面氧化物等）和吸附的氣體。電場的作用是加快擴散過程[1，9，12]。
SPS的工藝優(yōu)勢
SPS的工藝優(yōu)勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的材料，可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件[3，11]。與HP和HIP相比，SPS裝置操作簡單，不需要專門的熟練技術(shù)。文獻[11]報道，生產(chǎn)一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術(shù)的燒結(jié)溫度可降低100～200℃[13]。
SPS在材料制備中的應(yīng)用
目前在國外，尤其是日本開展了較多用SPS制備新材料的研究，部分產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。SPS可加工的材料種類如表1所示。除了制備材料外，SPS還可進行材料連接，如連接MoSi2與石磨[14]，ZrO2/Cermet/Ni等[15]。
近幾年，國內(nèi)外用SPS制備新材料的研究主要集中在：陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物，復(fù)合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料，他包括熱電材料[16] 、磁性材料[17] 、功能梯度材料[18] 、復(fù)合功能材料[19]和納米功能材料[20]等。對SPS制備非晶合金、形狀記憶合金[21] 、金剛石等也作了嘗試，取得了較好的結(jié)果。
