24
梯度功能材料的SPS烧结
PSZ / Ti梯度材料
25
非晶合金材料的制备

非晶合金材料的制备关键：针对合金成分，选择适当的条件， 保证合金具有极低的非晶形成临界冷却速度，提高形成非晶 的能力。
SPS技术：利用脉冲过程中晶内快速冷却的特点制备非晶合 金材料。

26
SPS技术制备其他材料

先进陶瓷材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化；
8


简易感应炉
9
工业用感应炉
10
感应炉 VS 电阻炉

——感应炉：
最高使用温度2500℃； 炉膛寿命长，基本不需要维护； 发热体与外界不接触，炉膛结 构密实，保温性能好； 节能。

——电阻炉：
最高使用温度1800 – 2000℃； 需要经常更换发热体和电接头 部分；
1.
1.
2.
2.
3.
3.
发热体与外界有接触，炉膛保 温性能相对较差；
31




2.2 热电偶

工作原理：由两种不同的均质导体形成回路，用于直接测 量的一端称为测量端，接线的一端称为参比端。当两端存 在温差时，就会在回路中产生热电流（Seebeck效应）， 同时两端之间存在热电势。该热电势的大小只与热电偶导 体材质和两端之间的温差有关。因此可以用于测定温度。
现 代 无 机 合 成
向军辉 中国科学院大学·材料学院 学园二205室 xiangjh@
第一章 高温合成
1.
各种高温设备；
高温测量方法； 高温合成反应的种类。
2.
3.
2
获得高温的方法及其温度
获得高温的方法
高温电阻炉
温度 / K
1,273 – 3,273
聚焦炉
闪光放电 等离子体电弧

在高温测量方面，古代人们在烧窑和冶炼时通过观察火焰和被加热物体的颜色 判断温度，利用陶土制作的熔锥在高温下的弯曲程度判定温度；
1714年，德国物理学家华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit ），华氏水银温 度计（冰点32度，沸点212度，间隔180度）； 1742 – 1745年，瑞典的摄耳修斯（Celsius）、林奈，摄氏水银温度计（冰点0 度，沸点100度，间隔100度）； 1802年，气体温度计； 1821年，德国的塞贝克（Seebeck）发现热电效应，英国的戴维尔发现电阻随 温度变化的规律，随后出现热电偶温度计和热电阻温度计 20世纪初，出现辐射温度计和光学高温计； 各种现代测温仪，如热像仪，激光测温仪等等。
1930——1965——1988——1990

特点：快速、低温、节能、环保，等等。 工作原理：利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热， 实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应，净化颗 粒表面，实现快速烧结。
16

等离子体的获得方式
固 液 物质状态 气 态 加 热 直流放电 射频放电 微波放电 态 态
高温熔盐电解； 等离子体激光、聚焦等作 用下的超高温合成；



高温熔炼和合金制备；

高温下单晶生长和区域熔 融提纯。
37
等离子态
获得方式 放 电
光激励
17
SPS装置

轴向压力装置；
水冷冲头电极； 真空腔体； 气氛控制系统（真空，氩气）； 直流脉冲电源及冷却水； 监测控制系统。
18





SPS内部装置示意图
1 电极；2 冲头；3 模腔；4 样品粉末
19
脉冲放电的作用效果
脉冲电压 开 现象 产生放电等离子
蒸发、熔化、纯化
效果 表面活化
技术优势 低温、短时烧结 烧结难熔材料 （不需催化剂） 连接不相容材料 短时烧结 短时均匀烧结 烧结非晶材料
产生放电冲击压力
局部应力和喷发
高速扩散 高速材料转移
有效加热 塑性变形提高 高密度能量供应 放电点的弥散运动 晶内快速冷却 晶内快速冷却
产生焦耳热
局部高温
电场作用
高速等离子迁移
脉冲电流和电压
大
较不均匀 复杂 小 多
15
1.4 放电等离子烧结炉（SPS）

简介：放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS），又称等离 子活化烧结（Plasma Activated Sintering，PAS）或等离子辅助烧结 （Plasma Assisted Sintering，PAS）。是九十年代兴起的一种高温 制备新技术。
碳管
石墨棒 钨管
2500
2500 3000
6
电阻炉实物图片
7
1.2 感应炉

简介：也称高频感应加热设备，主要用于金属、导电材料的 热处理、粉末热压烧结和真空熔炼等。 特点：升温速度快，操作方便、清洁，并且可准确控制实现 局部加热。
工作原理：以交流线圈为加热部件，将被加热的导体置于线 圈内。在线圈上通以交流电，在被加热的导体内产生感应电 流——涡流。由于交流电方向变化导致涡流方向变化，电能 转化为热能，实现被加热导体的迅速升温。
32
热电偶的特点
1.
体积小，重量轻，结构简单，使用方便；
热响应快； 适用温度范围广，可在室温至2000℃甚至3000℃区间工 作； 耐冲击、耐震动性好。
2.
3.
4.
33
几种热电偶材料及其工作温度
34
2.3 光学高温计

工作原理：利用受热物体的单波辐射强度（即物体的单色 亮度）随温度升高而增加的特性进行高温测量。
烧结纳米材料
低温烧结
20
关
热扩散
热由高温点转移
反应机理

颗粒间放电说：颗粒间放电激发等离子体，可以解释导电性 材料的反应，无法解释非导电性材料的反应； 放电－热传导说：导电性材料中存在放电效应与热效应，非 导电性材料的反应源于模具的热传导，无法解释与其他方法 的区别；
诱导电磁波说：导体、非导体在反应过程中都出现诱导电磁 波，未能给出诱导电磁波的产生机制。
35
光学高温计的特点
1.
使用方便，测量迅速；
工作范围宽，可以测定700 – 6000℃的高温； 测量精度高，误差可在±10℃以内。
2.
3.
4.
无需与被测物质接触，适用于热电偶不能或不方便使用的 场合。
36
3 高温合成反ห้องสมุดไป่ตู้的类型

高温固相反应；
高温固－气反应； 高温化学转移反应；


高温相变反应；


热压烧结
相对密度 / ％ 显微韦氏硬度 / GPa.mm-2 断裂韧性 / MPa.m1/2 92 – 93 23.0 – 29.0 3.2 – 4.2
SPS烧结
99 28.6 4.7
23
梯度功能材料的制备

梯度功能材料的特点：组份存在梯度变化。
难点：由于不同组份的烧结温度不同，利用传统方法难以一 次烧成；利用CVD、PVD等方法，成本昂贵，难以实现工业 化生产。 SPS技术：能够以较低的成本实现一次烧成。
4,000 – 6,000
> 4,273 20,000
激光
原子核裂变及聚变 高温粒子
105 – 106
106 – 109 1010 – 1014
3
1 高温反应设备

电阻炉
感应炉 电弧炉



放电等离子烧结炉（ Spark Plasma Sintering ）
4
1.1 电阻炉

简介：最常见的加热设备。具有结构简单，使用方便，温度 精确可控等优点。 工作原理：利用发热体加热。
磁性材料：追求晶粒细化； 热电材料：追求成分梯度化；



铁电材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化。
27
SPS技术的优势

加热均匀，升温速度快；
烧结温度低；

产物显微组织细小均匀，能保持 原材料的自然状态；
可以得到高致密度的材料； 操作简单，自动化程度高。


烧结时间短；


生产效率高；
28
发展趋势
电阻材料：石墨，金属，氧化物，等等。


5
各种电阻材料及其最高工作温度
发热体
镍铬丝
最高温度 / ℃
1060
发热体
ThO2 / CeO2
最高温度 / ℃
1850
硅碳棒
铂丝 铂铑合金
1400
1400 1540
ThO2 / La2O3
钽丝 ZrO2
1950
2000 2400
钼丝
硅钼棒 钨丝
1650
1700 1700


21
SPS技术的应用

纳米材料；
梯度功能材料； 先进陶瓷材料；

磁性材料；
大块非晶合金材料； 其他材料。




22
纳米材料的制备

纳米材料制备存在的问题：利用传统的方法，如热压、热等静压烧结等等，难 以在保证晶粒尺寸为纳米级别的同时达到完全致密化。
SPS技术：在有效阻止晶粒长大的同时达到完全致密化。 以超细SiC的烧结为例：

SPS是一种低温、短时的快速烧结法，可用于制备金属、陶瓷、纳米材 料、非晶材料等等，将在无机化合物的合成与新材料的研究与生产中发 挥重要作用； SPS的基础理论还有待进一步研究完善，反应设备向多功能、高脉冲容 量发展，适应形状复杂、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产要求；
开发强度更高、重复使用率更好的模具材料，提高模具的承载能力并降 低模具费用； 针对不同材料体系，寻找确定反应规律，更好的控制产品质量。