SPS燒結(jié)爐，全稱為Spark Plasma Sintering（放電等離子燒結(jié)）爐，是一種在材料科學(xué)、物理學(xué)、航空、航天科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的工藝試驗(yàn)儀器。其作為一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等顯著特點(diǎn)，尤其適用于制備金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料以及納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。
SPS燒結(jié)爐的基本原理是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)過程。在燒結(jié)過程中，顆粒之間放電瞬時(shí)產(chǎn)生局部高溫，這種高溫能夠加速燒結(jié)材料晶粒形成與再結(jié)晶過程，從而在較短的時(shí)間內(nèi)獲得晶粒致密、結(jié)晶度良好的燒結(jié)體。
二、SPS燒結(jié)爐的主要技術(shù)指標(biāo)
SPS燒結(jié)爐的主要技術(shù)指標(biāo)包括最大壓力、燒結(jié)壓力、燒結(jié)行程、壓力控制系統(tǒng)以及工作臺(tái)尺寸等。具體來說，SPS燒結(jié)爐的最大壓力可以達(dá)到20kN（即2,040㎏f），燒結(jié)壓力范圍在0.5～20kN（即50～2,040㎏f）之間，燒結(jié)行程為50mm（空間高度200mm）。此外，SPS燒結(jié)爐還配備了伺服馬達(dá)控制的壓力控制系統(tǒng)和數(shù)字讀出應(yīng)變壓力傳感器，以確保燒結(jié)過程的精確控制。
三、SPS燒結(jié)爐的主要功能
SPS燒結(jié)爐的主要功能是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)。這種加熱方式使得SPS燒結(jié)爐具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：
升溫速度快：由于SPS燒結(jié)爐采用脈沖電流加熱，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到所需的燒結(jié)溫度，從而大大縮短了燒結(jié)時(shí)間。
燒結(jié)時(shí)間短：相比傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)時(shí)間更短，這有助于減少能源消耗和生產(chǎn)成本。
組織結(jié)構(gòu)可控：SPS燒結(jié)爐在燒結(jié)過程中可以通過調(diào)整脈沖電流的參數(shù)來控制材料的組織結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的精確調(diào)控。
節(jié)能環(huán)保：SPS燒結(jié)爐采用脈沖電流加熱，相比傳統(tǒng)的電阻加熱方式，能夠更有效地利用能源，減少能源浪費(fèi)。同時(shí)，由于燒結(jié)時(shí)間短、溫度控制精確，因此產(chǎn)生的廢氣、廢水等污染物也大大減少，符合環(huán)保要求。
四、SPS燒結(jié)爐的應(yīng)用領(lǐng)域
SPS燒結(jié)爐在材料科學(xué)、物理學(xué)、航空、航天科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。具體來說，SPS燒結(jié)爐可以用于制備各種金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料以及納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。此外，SPS燒結(jié)爐還可以用于制備高性能的梯度材料、涂層材料以及功能梯度材料等。
五、SPS燒結(jié)爐的發(fā)展趨勢(shì)
隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛進(jìn)步，SPS燒結(jié)爐作為一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)，其應(yīng)用前景越來越廣闊。未來，SPS燒結(jié)爐的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
進(jìn)一步提高燒結(jié)效率：通過優(yōu)化脈沖電流的參數(shù)和控制策略，進(jìn)一步提高SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)效率，縮短燒結(jié)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。
拓展應(yīng)用領(lǐng)域：將SPS燒結(jié)爐應(yīng)用于更多領(lǐng)域的新型材料制備中，如生物醫(yī)用材料、能源材料、環(huán)保材料等。
實(shí)現(xiàn)智能化控制：借助先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SPS燒結(jié)爐的智能化控制，提高燒結(jié)過程的穩(wěn)定性和可靠性。
環(huán)保節(jié)能：繼續(xù)優(yōu)化SPS燒結(jié)爐的能源利用效率和環(huán)保性能，減少能源消耗和污染物排放。
綜上所述，SPS燒結(jié)爐作為一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)，在材料科學(xué)、物理學(xué)、航空、航天科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，SPS燒結(jié)爐將會(huì)在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。
SPS等離子燒結(jié)爐是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵(lì)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(fù)帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體性為的一種準(zhǔn)中性氣體。 產(chǎn)成等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵(lì)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。
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(gè)很有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是在陶瓷材料的燒結(jié)方面。
SPS等離子燒結(jié)爐基本結(jié)構(gòu)：
SPS與熱壓(HP)有相似之處，但加熱方式不同，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(chǎng)擴(kuò)散作用。
SPS燒結(jié)時(shí)脈沖電流通過粉末顆粒。在SPS燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)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(jìn)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(gè)促進(jìn)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(chǎng)的作用是加快擴(kuò)散過程。
SPS裝置主要包括以下幾個(gè)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(cè)量、溫度測(cè)量、和安全等控制單元。
時(shí)間：2024-10-25
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