放电等离子烧结 (SPS) 在根本上区别于传统方法，它利用脉冲直流电 (DC) 加热粉末压坯，同时施加轴向压力。这种双重作用方法能够实现极高的加热速率——通常达到 100°C/min——从而在显著更低的温度和极短的时间内（通常仅需几分钟）实现材料的完全致密化。
核心见解：传统烧结常常需要在高密度和细晶粒结构之间进行权衡，因为高温会导致晶粒粗化。SPS 通过如此快速地致密化材料，使内部微观结构没有时间粗化或降解，从而消除了这种权衡。
快速致密化的机制
通过脉冲电流直接加热
与加热外部环境的传统方法不同，SPS 将脉冲直流电直接施加到粉末（或模具）上。
这会立即产生内部热量，从而实现比传统热压快得多的加热速率。
同步施加轴向压力
在材料通过电流加热的同时，设备会施加显著的轴向压力（例如 66–75 MPa）。
这种压力有助于颗粒的重新排列，使材料能够在低于无压烧结所需温度下致密化。
缩短循环时间
直接加热和压力的结合创造了一个高效的生产周期。
在传统炉中可能需要数小时的处理过程，在 SPS 中通常可以在几分钟内完成，例如在 Al2O3–cBN 复合材料中观察到的 4 分钟致密化。
保持微观结构完整性
抑制晶粒生长
SPS 最关键的优势在于其能够严格抑制晶粒粗化。
由于材料在峰值温度下停留的时间非常短，晶粒没有机会生长。
这保留了从原材料（例如通过球磨制备的原材料）继承的超细或纳米晶结构。
均匀相分布
快速固结确保了基体中增强相的均匀分布。
例如，在镍铝增强铝基体中，SPS 可防止偏析，从而得到均匀且高度致密的复合材料。
对复杂材料系统的优势
防止挥发
在含有挥发性元素的材料中，长时间暴露在高温下通常会导致材料损失。
SPS 的快速处理显著减少了这种损失，例如防止 Mg2(Si,Sn) 生产中镁的挥发。
抑制不希望的相变
某些材料在持续高温和低压下会降解或发生相变。
SPS 可以快速通过低温范围，有效防止立方氮化硼 (cBN) 石墨化为六方氮化硼 (hBN) 等问题。
保持各向异性
对于晶粒取向至关重要的材料，例如织构化的二硅化铬 (CrSi2)，速度至关重要。
SPS 保持了磁场引起的晶粒取向，确保最终部件保持优越的各向异性（例如，热电性能）。
理解操作限制
需要受控环境
实现这些结果不仅仅是加热；它需要严格受控的真空环境。
这是为了促进高加热速率并防止在快速热循环期间发生氧化或污染。
压力依赖性
低温烧结的好处直接与高压（通常超过 60 MPa）的应用有关。
如果材料几何形状或工具无法承受这些高轴向压力，在较低温度下致密化的能力可能会受到影响。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地发挥放电等离子烧结的优势，请根据您的具体材料挑战来调整工艺参数。
- 如果您的主要关注点是纳米晶材料：利用快速的加热速率在纳米晶粒有时间粗化之前致密化主体材料。
- 如果您的主要关注点是挥发性或不稳定的组件：利用短的保温时间来最大限度地减少热暴露，防止元素损失或相降解（如石墨化）。
- 如果您的主要关注点是机械性能：依靠同步的压力和真空来实现接近理论的密度，这直接关系到优越的硬度和断裂韧性。
当您的应用需要热压的密度但又不想出现因长时间热暴露引起的微观结构退化时，SPS 是明确的选择。
总结表：
| 特性 | 传统烧结 | 放电等离子烧结 (SPS) |
|---|---|---|
| 加热方法 | 外部辐射/对流 | 直接脉冲直流加热 |
| 加热速率 | 慢（例如，<10°C/min） | 超快（高达 100°C/min） |
| 处理时间 | 数小时 | 数分钟 |
| 晶粒结构 | 易于粗化/生长 | 保持细小/纳米晶结构 |
| 密度 | 可变；通常需要高温 | 低温下高/接近理论值 |
| 材料完整性 | 潜在的挥发/降解 | 最大限度地减少元素损失和相变 |
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参考文献
- Mihai Ovidiu Cojocaru, Leontin Nicolae Druga. Reinforced Al-Matrix Composites with Ni-Aluminides, Processed by Powders. DOI: 10.35219/mms.2020.1.03
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
