燒結(jié)，指的是坯體在高溫下致密化過程和現(xiàn)象的總稱，是眾多粉體材料變成制件必不可少的一步，這一步對制件的力學(xué)性能、光學(xué)性能等都有著不能忽視的影響。對于陶瓷材料等難燒結(jié)的材料而言，其動輒便是7、8h的漫長的燒結(jié)過程總是讓人“焦慮不已”，對于高校用戶而言大家應(yīng)該深有體會，為了排隊燒一塊陶瓷，等了好久好久好久，如果燒壞了再來一遍那就更不好意思了。
在眾多陶瓷燒結(jié)方法中，有一種叫“高速火花等離子燒結(jié)”的燒結(jié)方式，燒成一塊陶瓷僅需30分鐘，燒結(jié)速度及品質(zhì)秒殺眾多燒結(jié)方法。2019年12月05日，粉體圈境外考察團的團友走進(jìn)了日本ELENIX，近距離感受了一下新材料開發(fā)利器“高速火花等離子燒結(jié)”的神燒結(jié)速度。
在ELENIX的工作間，工作人員為我們現(xiàn)場演示了用高速火花放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)陶瓷的過程，從裝料–升溫-燒結(jié)-降溫-脫模，全程耗時僅需約30min，就把陶瓷粉料（無需添加助劑，直接裝進(jìn)模具燒結(jié)）搞成了陶瓷塊。據(jù)工作人員介紹，采用這種方法制備的陶瓷件，接近于陶瓷的理論密度。
具體為放電等離子燒結(jié)（SPS）為何有這么神速，我們將從其工藝過程說起，等離子燒結(jié)工藝簡單點說是這樣的，將金屬、陶瓷等粉末裝入模具內(nèi)，通過上下模沖及通電電極將燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末。當(dāng)脈沖電壓直接施加到粉末上時，在粉末顆粒之間的空間中發(fā)生微放電（詳見下方示意圖）產(chǎn)生等離子體，高溫等離子的濺射及放電沖擊清除了粉末顆粒表面的雜質(zhì)和吸附的氣體。與此同時，粒子表面受到熱量和應(yīng)變能的積累而被激活。接下來，一個特殊的電源在激活粒子接觸的位置產(chǎn)生熱量。此時由電壓引起的電擴散并行發(fā)生，允許燒結(jié)在短時間內(nèi)完成，范圍從幾十秒到幾分鐘。
放電清潔及活化示意圖
用等離子火炬燒結(jié)成的SiC樣品
除了用于陶瓷燒結(jié)以外，EdPas還可以用于不同材料的拼接
由于等離子燒結(jié)在每分鐘1000~2000℃的快速升溫是可能的，因此可以在短時間內(nèi)完成碳化物、硼化物、鎢、鉬和其它熔點高的材料的燒結(jié)。由于燒結(jié)在低溫下在短時間內(nèi)發(fā)生，材料的晶粒還沒來得及胡亂生長，燒結(jié)后的制品晶粒均勻，顯微結(jié)構(gòu)致密，因此采用SPS制品的材料除了速度神速，其產(chǎn)品性能也有一些獨到之處。
