第6章++纳米块体材料的制备课件.ppt

6.2.2 SPS装置和基本原理 SPS系统主要包括以下几部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空室；气氛控制系统（真空、空气、氩气）；真空脉冲发生器；水冷控制、位置测量、温度测量、应力位移、安全控制等单元。SPS的基本结构如图 所示。 SPS的优点是：加热均匀，升温速度快，烧结温度低，时间短，生产效率高，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；可以烧结梯度材料以及大型工件等复杂材料；SPS装置具有操作容易、不要求熟练技术。生产一块直径100mm厚17mm的ZrO2(3Y)/不锈钢FGM用的总时间是58min，包括升温时间28min、保温时间5min和冷却时间25min 。工件达到致密化的烧结温度一般比热压烧结（HP）低100～200℃。 6.2.4 SPS在材料制备中的应用 除了制备材料外，SPS还可进行材料连接。如连接MoSi2与石墨，ZrO2/Cermet/Ni等。 近几年国内外用SPS制备材料方面，除一般金属外，主要集中在以下几种：陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物，功能材料中包括热电材料、磁性材料和功能梯度材料，复合材料，纳米材料等。其中比较多的是功能材料、复合材料和纳米材料。对SPS制备非晶合金、形状记忆合金、金刚石等也作了尝试，取得了较好的结果。 6.2.5 SPS在CeSZ晶粒生长研究中应用实例 上述理论同样适用于快速热压烧结。在SPS烧结时，虽然所加压力较小，但是除了压力的作用会导致活化能Q 降低外，由于存在放电的作用，也会使晶粒得到活化而使 Q 值进一步减小，从而会促进晶粒长大，因此从这方面来说用SPS烧结制备超细纳米材料有一定的困难。 但是实际上已成功制备平均晶粒65nm的TiN密实体的实例，文献中报道用非晶粉末SPS制备了20～30nm的Fe90Zr7B3纳米磁性材料。另外，还已发现晶粒随SPS烧结温度变化比较缓慢, 因此SPS制备纳米材料的机理和对晶粒长大的影响还需要作进一步的研究。 6.3.1．无压烧结(静态烧结) 6.2.3 SPS的工艺优势 有机材料（polyimide等），复合材料 其它材料 TiAl, MoSi2, Si3Zr5, NiAl, NbCo, NbAl, LaBaCuSO4, Sm2Co17 金属间化合物 Si3N4+Ni, Al2O3+Ni, ZrO2+Ni, Al2O3+TiC, SUS+WC/Co, BN+Fe, WC+Co+Fe 金属陶瓷 LiF, CaF2, MgF2 氟化物 TiB2, HfB2, LaB6, ZrB2, VB2 硼化物 Si3N4, TaN, TiN, AlN, ZrN, VN 氮化物 SiC, B4C, TaC, WC, ZrC, VC 碳化物 Al2O3, Mulite, ZrO2, MgO, SiO2, TiO2, HfO2 氧化物 陶 瓷 Fe, Cu, Al, Au, Ag, Ni, Cr, Mo, Sn, Ti, W, Be, 及其它金属 金 属 SPS可加工的材料举例 分 类 表6.1 适合SPS加工的材料 纳米材料的制备越来越受到重视，并已成为一种独立的材料体系。利用传统的热压烧结和热等静压等方法来制备材料时，很难保证能同时达到纳米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用SPS技术，由于加热速度快，烧结时间短，可抑制晶粒粗化。例如：用平均晶粒尺寸5nm的TiN粉经SPS烧结（1963K ，19.6～38.2MPa，烧结5min），可得到平均晶粒65nm的TiN密实体。SPS烧结中晶粒长大受到最大限度的抑制，所得烧结体无疏松和明显的晶粒长大。 根据Brook模型，烧结过程晶粒的生长可表示为： D n－D0n =kt (1) 其中D和D0分别为t = t 和t = 0时的晶粒尺寸，n为晶粒生长指数，而K=Aexp(-Q/RT), A为与原子跃迁有关的比例常数，Q为晶粒生长的扩散活化能，R为气体常数，T 为绝对温度。因此上式又可表示为： D n－D 0n = A exp(-Q /RT )×t (2) 从上式可知，当其它条件不变时，活化能Q 越小，晶粒越易长大。很多研究已证明在压力作用下，晶粒动态生长的活化能Qd值小于静态生长的活化能Qs，从而在相同烧结温度下能加快晶粒的生长，而且外力越大，晶粒生长越快。 考虑到当晶粒生长后期，则式(2)