&

干貨|快速制備材料能手

2017-02-15 11:40:20 作者：本網(wǎng)整理來源：材料牛分享至：

1. 放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)簡介

放電等離子燒結(jié)（SPS）過程采用低電壓、高電流的直流脈沖通過壓頭作用到燒結(jié)試樣。由于該技術(shù)自身獨(dú)特的燒結(jié)優(yōu)勢(shì)，燒結(jié)過程中可以有效地抑制晶粒的生長，提高材料的綜合性能。由于燒結(jié)時(shí)間短，可以快速制備多種不同性質(zhì)的材料。具有“所想即所得”的特點(diǎn)。

SPS設(shè)備主要包括輸出高電流、低電壓的直流脈沖電源、壓力系統(tǒng)、燒結(jié)氣氛保障系統(tǒng)、工藝參數(shù)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及模具、壓頭等裝置，待燒粉料放在模腔內(nèi)，壓力（通常超過10MPa）和高達(dá)幾千安培的脈沖電流施加于模具的上下壓頭上。系統(tǒng)啟動(dòng)后，按照預(yù)先設(shè)定的燒結(jié)參數(shù) （包括電流強(qiáng)度、燒結(jié)溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、壓力等）由計(jì)算機(jī)程序控制燒結(jié)過程。

2. 梯度材料

梯度材料是一種組成在某個(gè)方向梯度分布的復(fù)合材料，在金屬和陶瓷粘合時(shí)由于二者燒結(jié)致密的溫度相差較大，且界面的膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力，給材料的制備帶來困難，而應(yīng)用SPS 方法可以很好地克服這一問題，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)溫度的梯度分布。

圖1Ti-TiB2裝甲切面

圖1為應(yīng)用于裝甲戰(zhàn)斗車輛的Ti-TiB2裝甲切面，其采用了梯度燒結(jié)技術(shù)上層TiB2陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.95，下層則全部為Ti，自上而下無明顯分層現(xiàn)象，采用這種方法制作的裝甲良好地結(jié)合了陶瓷的硬度大以及金屬的韌性好的特點(diǎn)，陶瓷顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)自上而下過度均勻。

3. 超細(xì)或納米晶 WC-Co 硬質(zhì)材料的研究

傳統(tǒng)的WC - Co硬質(zhì)材料一般需在保護(hù)氣氛或真空條件下加熱至液相出現(xiàn)的溫度下進(jìn)行長時(shí)間燒結(jié)，常常需要加入晶粒長大抑制劑來阻礙WC晶粒的生長，這樣不僅增加了制備工藝的復(fù)雜程度，而且有可能降低產(chǎn)品的強(qiáng)度。利用SPS技術(shù)可在一定程度上避免以上問題。

圖2 利用SPS技術(shù)制備的WC – Co樣品的能譜圖

圖2為WC - Co能譜圖，WC 顆粒比較均勻地分布在基體中。日本已采用 SPS技術(shù)成功開發(fā)出超細(xì)晶粒和納米晶粒的硬質(zhì)合金材料，并將其應(yīng)用于印刷線路板微鉆頭、數(shù)碼相機(jī)高精度鏡頭模具等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4. 放電等離子燒結(jié)在陶瓷材料制備中的應(yīng)用

大量的試驗(yàn)研究表明，SPS方法制備的陶瓷材料與普通燒結(jié)方法相比，在降低燒結(jié)溫度提高致密度的同時(shí)，燒結(jié)時(shí)間也有所縮短，從而抑制了燒結(jié)過程中晶粒長大的現(xiàn)象，使得陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性均有所提高。下圖為采用放電等離子燒結(jié)方法制備的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品。

圖3 放電等離子燒結(jié)方法制備的氧化鋁陶瓷樣品

5. 塊體非晶材料的制備

對(duì)于非晶形成能力相對(duì)較低的合金，其樣品最大直徑一般只有幾毫米，大大限制了其廣泛應(yīng)用。利用非晶粉末在過冷液相區(qū)的大黏性流動(dòng)和原子擴(kuò)散的特性，施加大的壓力進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，有望制備出大尺寸和形狀復(fù)雜的非晶塊體。放電等離子燒結(jié)（SPS）作為一種快速燒結(jié)技術(shù)，是制備非晶或納米晶材料的有效手段。下圖4為已經(jīng)成功制備出的非晶材料樣品。

圖4 a）為放電等離子燒結(jié)方法制備的非晶材料照片；b）為非晶材料掃描電鏡圖片