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放电等离子烧结技术（SPS） 制备致密高温陶瓷材料 等离子体烧结技术的概念 等离子体 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、液、气三态外物质的第四种状态。所谓等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。 SPS装置的结构示意图 2.1 SPS与传统烧结方法的比较 烧结超高温陶瓷 烧结超高温陶瓷 烧结超高温陶瓷 烧结超高温陶瓷 烧结超高温陶瓷 SPS技术的未来展望 SPS技术的完善 我国SPS技术发展及建议 理论的深入探究 SPS的烧结机理还存在争议，SPS的基础理论尚不完全清楚，需要进行大量实践 与理论研究来完善 ，尤其是烧结的中间过程和现象还有待于深入研究。 烧结温度的测量 产生等离子体的微波或高频波严重干扰双金属热电偶，从而无法用热电偶测量温度。 由于等离子体发光和石英管遮挡的干扰，用光学高温测量计将引入较大的误差。 对于非常高温的烧结体用红外线测温仪，由于模具头两端受力不均匀，使得测量结果偏离准确值，因而引起实验误差。 制品开裂 由于加热速度快、冷却速度也快，使制品容易产生开裂。 由于部件通过的温度范围广，在移动时会产生裂纹。 设备优化 SPS需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量 ,以便做尺寸更大的产品。 需要发展全自动化的 SPS 生产系统 ,以满足复杂形状、 高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要。 实际生产 需要发展适合SPS技术的粉末材料。 需要研制比目前使用的模具材料(石墨)强度更高、 重复使用率更好的新型模具材料 ,以提高模具的承载能力和降低模具费用。 需要建立模具温度和工件实际温度的温差关系 ,以便更好地控制产品质。 SPS产品的性能测试方面 ,需要建立与之相适应的标准和方法。 研制新材料的技术改进 材料制备技术正向着多种制备技术相结合和多种场能结合的趋势发展 ,因此 ,可以考虑将放电等离子烧结与其他方法相结合 ,比如与机械合金化相结合就可以制备纳米块体材料。 可以在放电等离子烧结设备上施加磁场(恒稳、交变、脉冲) ,实现应力、温度、电磁的多场耦合 ,从而研究材料在多场作用下的组织结构与性能的变化。 国内情况 国内从 2000年开始引进SPS设备，在 “211工程”、“985工程”等国家和地方财政的支持下，投资上亿元资金，引进了SPS设备17台，设备数量仅次于日本 ，位居世界二。（截至2010年） 武汉理工大学、中科院上海硅酸盐研所、清华大学和北京工业大学是首批引进SPS设备的单位，此外北京科技大学 、北京理工大学 、哈尔滨工业大学、四川大学 、浙江大学等单位也都相继拥有SPS设备。 北京工业大学通过集成创新 ，采用引进与自主设计制造相结合的方法 ，建立了一套集金属／合金纳米粉末制备 、磁场成型与SPS快速烧结致密化为一体 ，可在原位 、 “无氧”的条件下进行新材料研究的放电等离子烧结 (SPS)系统。 国内发展建议及意义 建议：在国家有关部门的统一领导和组织下，联合国内相关科技力量和科研条件 ，建立一个以SPS为核心技术的新型功能材料利块体纳米材料的研究平台。 意义：通过对纳米稀土材料、纳米稀土磁性材料、高性能热电转换材料、集成电路微钻头用纳米WC／Co材料和 WC／Co 钢梯度材料、高性能复合溅射靶材、特种陶瓷材料、生物陶瓷材料等的研究与开发，不仅可取得系列具有自主知识产权的研究成果，而且培养出该领域的高层次专业才，形成节能、环保和高效益的新材料人才培养和产业化示范作用，推进我国材料产业的可持续发展，对我国经济社会的协调发展都具有重要的战略意义 。 实验体系： A: HfB2–SiC HfB2+30 SiC (A-SPS) HfB2+20 SiC+3HfN (A-HP) B: ZrB2–MoSi2 ZrB2+15 MoSi2 (B-SPS) ZrB2+15 MoSi2 (B-HP) C: ZrB2–ZrC–SiC 60ZrB2+30ZrC+10SiC (C-SPS) 96.3 (60ZrB2+30ZrC+10SiC)+3.7 Si3N4 (C-HP) SPS：放电等离子烧结； HP： 热压 International Journal of Applied Ceramic Technology Vol. 3, No. 1, 2006 烧结条件： 比较结果： ? SPS所用时间远少于HP ?制备所得材料杂质相少，产物纯度高 ?致密度两者差不多 ?SPS的成本高于HP 实验体系： A: HfB2–SiC HfB2+30 SiC (A-SPS)