《等离子体活化烧结技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《等离子体活化烧结技术（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、等离子体活化烧结技术简介及其应用1、前言烧结是粉末冶金及陶瓷生产过程中最基本的工序之一，也是最后一道 及其重要的工序，对最终产品的性能起着决定性作用。所谓烧结，就是把 压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的温度，并在其温度下保温， 从而使粉末颗粒相互结合起来，改善其性能的一种过程。烧结是高温作用，一般要经过较长的时间，还要有适当的保护气氛。 因此，从经济角度考虑，烧结工序的消耗是构成产品成本的重要部分，改 进操作与烧结设备，减少物质与能量的消耗，如降低烧结温度、缩短烧结 时间等，在经济上的意义是很大的。目前所采用的烧结方法虽然很多，但均有不足之处。热压法和热等静 压法虽采用了压力，但烧结过
2、程中对样品的活化程度（即动力学过程）尚需进 一步提高，而微波烧结法和等离子体烧结法在活化方面作了改进，缩短了 烧结时间，抑制了材料颗粒的长大，但烧结过程中仍缺乏对样品施加压力， 而温度等实验条件难以控制，特别是微波烧结过程中容易造成热失控效应， 对烧结样品产生不均匀的加热，从而影响了烧结产品的各种性能。因而在材 料处理中，尚需一种能改善上述烧结缺点的新方法1 。等离子体活化烧结是一种比较理想的烧结方法。1997年，彭金辉教授 为负责人的课题组承担了云南省自然科学基金重点资助课题“等离子体活 化烧结过程的机理与应用”的研究。本文以他们的研究为基础简要介绍等 离子体活化烧结的方法。2、等离子体活化
3、烧结简介等离子体活化烧结（Plasma Activated Sintering，简称PAS法）是新发展 起来的用于材料合成和加工的一项技术1 。它利用开关直流脉冲电压在粉 末颗粒间或空隙内产生瞬间的高温等离子体，而等离子体是一种高温、高 活性离子化的电导气体，它能产生400010000K的高温，因此，等离子体 能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体，促使物质产生高速度的扩散 和迁移，从而有效地降低烧结温度，促使烧结过程加快，即能在较低温度 下和较短时间内实现固结。与自蔓燃高温合成和微波烧结相似，它是利用在粉末内部产生的热量 而实现快速烧结的方法。等离子体活化烧结与热压法、热等静压法、无压 常规
4、烧结法相比，具有许多优点，如操作方便、可精确控制烧结能、烧结 速度快、重现性好、安全可靠等。目前，等离子体活化烧结法在梯度功能材 料、金属间化合物、微品材料、纤维强化材料、超导材料、硬质合金 等的制备中得到了广泛应用。而上述材料用常规烧结法是难以制备的。PAS法实验装置如图1所示，加压系统在活化烧结中用于对样品施加 同轴向压力，促进烧结的动力学过程；脉冲电源一方面在颗粒间产生等离 子体，活化颗粒表面，降低烧结温度，另一方面对样品施加直流电以产生 足够的焦耳热，实现样品固化；测温系统用于检测烧结温度并加以精确地 控制；冷却系统用于冷却压头，避免压头温度过高而变形损坏。图1 PAS法实验装置示意图
5、PAS技术作为一种新颖而有效的快速烧结技术，已应用于多种材 料的研制和开发中，但其烧结机理日前还没有达成统一认识1 。一 般认为PAS技术的关键在于利用粉末颗粒间的间隙所产生的微放电 现象；由放电所产生的等离子及电子等高能粒子撞击粉末颗粒间的接 触部位，使接触部位的物质产生蒸发而起到净化及活化作用，并在粉 末粒子表面施加强大的冲击压。当施加的脉冲电压达到一定值时，电 极与粉体以及粉末粒子间的接触面所形成的绝缘层被击穿而放电，放 电所产生的撞击压力，可在粉末颗粒上赋予应变，增加原子的扩散速 度，且因后续电流所生成的焦耳热也以接触点为圆心进行扩散，致使 粉体更加容易产生塑性变形，从而达到良好的烧结
6、效果。3、等离子体活化烧结技术的应用3.1 Cu粉的等离子体活化烧结将Cu粉装入烧结模中，先用等离子体进行活化，工艺参数为： 脉冲电流250 A，脉冲通路时间为40 ms，断路时间为60 ms ,脉冲时间 为5 s，再采用直流电阻加热烧结至800笆，总活化烧结时间为15 s, 随后降至室温。烧结过程中所施加的压力为5MPa,在活化烧结后， 样品的理论密度达到99. 6 %。Cu粉极易氧化，将Cu粉预先氧化，分为两组，进行活化和烧 结，测定两组粉末活化和烧结前后的氧含量变化见表1。粉末样原始粉末 氧含量/ %活化后氧 含量/ %烧结后的氧含量/ %氧含量降 低率/ %1组O.6O0.270.21
7、692组0.420.230. 1857表1 含氧量的变化通过对比烧结前后的含氧量的变化，说明等离子体活化烧结技术可以 脱去金属表面的氧化膜。3.2纳米级ZrO2的等离子体活化烧结纳米级ZrO2通过微波等离子体合成方法合成，所用的微波频率为0.915 GHz，微波波导为TE01型，化学反应为：ZrDl4 + O2 ZrO2 + 2C12纳米级ZrO2由德国卡尔斯鲁厄研究中心合成提供。原始ZrO2的 颗粒尺寸为38 nm，将纳米级的ZrO2 (含4 mol %Y2O3)粉末装入 烧结模中，首先施加脉冲电压以产生等离子体对粉末进行活化，随后快速升温并对粉末施加压力进行烧结。其中脉冲电流700 A ,
8、脉冲接通时间45 ms，断路时间30ms，等离子体活化时间60 s，成型压力 30MPa,样品加热温度1 3001 400 C。烧结时间和相对理论密度与 维氏硬度的关系如表2所示。表2相对密度与维氏硬度之间的关系3.3 AlN粉末烧结在AlN烧结过程中，有限的共价化合物的原子迁移造成低温下 AlN难以完全固化（ 1873K），而高温下（ 1073K）又出现AlN的 分解和颗粒尺寸显著增大，微观结构变粗糙等现象。在传统的无压烧 结中，纯AlN陶瓷在2003K下烧结30h ,其最高相对理论密度为 95%,颗粒长大显著且不规则，从而阻止了进一步固化。采用辅助性 手段，即在AlN中掺入某些物质以后，在
9、20732223K下进行传统 烧结，相对理论密度提高到97%99%。烧结之后含有其它物质的AlN 颗粒尺寸比纯AlN烧结后的尺寸小。如AlN掺入适当氧化钇，在 2223K烧结3h相对理论密度为97%，颗粒尺寸为3m。采用微波烧 结掺入氧化钇的AlN，又进一步缩短了烧结时间（小于75 min）和减 少了颗粒尺寸（约2p m），相对理论密度大于95 %。采用等离子体活 化烧结纯AlN ,在2003K下仅用了 5min ,其相对理论密度接近100 % , 而最小尺寸仅为0.77p m，并且产品具有很高的硬度,其维氏硬度达 8188 MPa。4、结论PAS法不但应用领域非常广泛，而且其技术指标非常先进（包括 烧结强度、烧结时间、产品性能等），是一种值得关注的新型烧结方 法。从上述介绍可以看出，PAS法具有以下特点：1、PAS法不仅采用直流电直接对粉末材料和石墨模具进行加热， 而且采用开关直流脉冲电压使颗粒之间或空隙内产生高温等离子体， 在粉末内部进行均匀加热，因此它具有非常高的热效率，可以烧成高 致密度的产品。2、PAS法可以提供的工作压力范围和烧结温度范围更宽，因此 烧结的产品种类更多，更广泛。3、由于等离子体的活化和快速升温烧结的综合作用，抑制了品 粒的长大，保持了原始颗粒的微观结构，从而在本质上提高了烧结体 的性能。
