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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:5998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,Bao.3Sro.7TiO3和Bao.4Sro.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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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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