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放電等離子體燒結(jié)：高技術(shù)陶瓷制備的福音

來源：時間：2023-12-12 10:20:08 瀏覽：4734次

放電等離子燒結(jié)（SPS）是電流活化/輔助燒結(jié)技術(shù)的一種，通過機械壓力、電場和熱場相結(jié)合，增強粒子間的結(jié)合和致密化。放電等離子燒結(jié)采用了與熱壓工藝相同的沖壓/模具系統(tǒng)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(jié)通過發(fā)熱體輻射加熱，放電等離子燒結(jié)是通過模具或樣品的電流產(chǎn)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(jié)，例如表面氧化物去除、電遷移和電塑性。電流的應(yīng)用和較高的升溫速率是放電等離子燒結(jié)技術(shù)的最典型特征。

SPS燒結(jié)裝置示意圖

上世紀90年代，日本實現(xiàn)了SPS設(shè)備的實用化之后，SPS在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的發(fā)展。目前，我國和日本依然是SPS設(shè)備的使用與研究最多的國家。SPS小型設(shè)備已經(jīng)實用化，大大降低了購買成本，因此國內(nèi)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(yīng)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(jié)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(fù)合陶瓷基體。采用SPS燒結(jié)方法可以在相對較低的溫度下，進行陶瓷的致密性燒結(jié)。

透明陶瓷

透明陶瓷不僅有良好的光學(xué)透明性和光學(xué)特性，還擁有陶瓷的高強度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點，在照明技術(shù)、高溫高壓環(huán)境中的視窗材料、整流罩、坦克透明裝甲等領(lǐng)域，有著無比優(yōu)越的應(yīng)用優(yōu)勢。研究人員使用放電等離子燒結(jié)和熱處理的方法制備了透明鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷，結(jié)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(jié)技術(shù)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(jié)溫度比較低。

另有研究人員利用熱壓和SPS燒結(jié)技術(shù)制備了MgO透明陶瓷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SPS燒結(jié)1min，氧化鎂陶瓷粉體出現(xiàn)明顯的收縮，而熱壓方法在150s時才出現(xiàn)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(zhì)和生物相容性，在牙科、骨骼和關(guān)節(jié)種植等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。其中的羥基磷灰石及復(fù)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(guān)節(jié)和牙科種植體。

其中羥基磷灰石（HA）構(gòu)成天然骨的主要無機成分，HA作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的替代材料引起了相當(dāng)大的關(guān)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(lǐng)域的應(yīng)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(shù)克服了傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)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(nèi)完成樣品的致密化。短的燒結(jié)時間對于保持納米復(fù)合材料中碳納米材料的結(jié)構(gòu)和性能，以及抑制HA陶瓷中的晶粒生長至關(guān)重要，從而獲得致密的納米結(jié)構(gòu)陶瓷。

納米陶瓷

納米陶瓷是納米技術(shù)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(yōu)點，但是陶瓷的脆性大是它的最大的問題，研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jié)和SPS兩種燒結(jié)方法制備氧化鋅陶瓷，結(jié)果顯示微波燒結(jié)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(jīng)能達到理論密度的98.5%。

微波介電陶瓷

SPS燒結(jié)技術(shù)在微波陶瓷上的應(yīng)用，也體現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢。研究人員采用固態(tài)燒結(jié)（SSS）和放電等離子燒結(jié)（SPS）兩種方法制備了類方石英結(jié)構(gòu)的BPO₄陶瓷，固相燒結(jié)時，溫度為1200℃，樣品才出現(xiàn)明顯的收縮和晶粒長大現(xiàn)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(jié)的樣品在1000℃，保溫10min的燒結(jié)程序下，陶瓷的相對密度為92.7%，遠優(yōu)于固相燒結(jié)的結(jié)果。

壓電陶瓷

PbZrO₃-PbTiO₃（PZT）壓電材料中含有重金屬Pb，現(xiàn)在開發(fā)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(jié)技術(shù)，在制備壓電陶瓷中，發(fā)揮自己的獨特快速加熱優(yōu)勢，較短時間內(nèi)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(yōu)化。

研究人員在燒結(jié)PZT的陶瓷中，使用了傳統(tǒng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)的三種燒結(jié)方法，結(jié)果顯示傳統(tǒng)燒結(jié)的陶瓷中缺陷空隙氣孔的分布不均勻，熱壓的結(jié)果好于傳統(tǒng)的方法，能得到致密的陶瓷，但是燒結(jié)過程會出現(xiàn)玻璃相，而SPS的方法在快速燒結(jié)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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