Синтез порошков под действием искровой плазмы: принципы и применение.

Введение

Искровая плазменная спека (SPS), также известная как техника спекания в электрическом поле (FAST) или импульсная спекание электрическим током (PECS) или плазменное уплотнение под давлением (P2C) – это метод спекания. Основной характеристикой SPS является то, что импульсный или неимпульсный постоянный или переменный ток непосредственно проходит через графитовую форму, а также через порошковый компакт, в случае проводящих образцов. Установлено, что джоулев нагрев играет доминирующую роль в уплотнении порошковых компактов, что позволяет достичь почти теоретической плотности при более низкой температуре спекания по сравнению с традиционными методами спекания. Выделение тепла происходит внутри материала, в отличие от традиционного горячего прессования, где тепло обеспечивается внешними нагревательными элементами. Это обеспечивает очень высокую скорость нагрева или охлаждения (до 1000 К/мин), следовательно, процесс спекания обычно очень быстрый (в течение нескольких минут). Высокая скорость процесса позволяет уплотнять порошки наноразмерной структуры или с наноструктурой, избегая при этом зернограничного роста, который сопровождает стандартные методы уплотнения. Это сделало SPS эффективным методом для получения широкого спектра материалов с улучшенными магнитными, магнитоэлектрическими, пьезоэлектрическими, термоэлектрическими, оптическими или биомедицинскими свойствами. SPS также используется для спекания углеродных нанотрубок при создании электродов полевой эмиссии электронов. Принцип работы систем SPS схематически показан в видеоролике. Хотя термин "искровая плазменная спека" широко используется, он вводит в заблуждение, поскольку в процессе не возникает ни искры, ни плазмы. Экспериментально подтверждено, что уплотнение облегчается использованием электрического тока. SPS может быть использован для создания функционально градированных мягких магнитных материалов и способствует ускорению разработки магнитных материалов. Также установлено, что этот процесс повышает стойкость к окислению и износостойкость композитов на основе карбида вольфрама по сравнению с традиционными методами консолидации.

Spark plasma sintering (SPS), also known as field assisted sintering technique (FAST) or pulsed electric current sintering (PECS), or plasma pressure compaction (P2C) is a sintering technique. The main characteristic of SPS is that the pulsed or unpulsed DC or AC current directly passes through the graphite die, as well as the powder compact, in case of conductive samples. Joule heating has been found to play a dominant role in the densification of powder compacts, which results in achieving near theoretical density at lower sintering temperature compared to conventional sintering techniques. The heat generation is internal, in contrast to the conventional hot pressing, where the heat is provided by external heating elements. This facilitates a very high heating or cooling rate (up to 1000 K/min), hence the sintering process generally is very fast (within a few minutes). The general speed of the process ensures it has the potential of densifying powders with nanosize or nanostructure while avoiding coarsening which accompanies standard densification routes. This has made SPS a good method for preparation of a range of materials with enhanced magnetic, magnetoelectric, piezoelectric, thermoelectric, optical or biomedical properties. SPS is also used for sintering of carbon nanotubes for development of field electron emission electrodes. Functioning of SPS systems is schematically explained in a video link. While the term "spark plasma sintering" is commonly used, the term is misleading since neither a spark nor a plasma is present in the process. It has been experimentally verified that densification is facilitated by the use of a current. SPS can be used as a tool for the creation of functionally graded soft magnetic materials and it is useful in accelerating the development of magnetic materials. It has been found that this process improves the oxidation resistance and wear resistance of sintered tungsten carbide composites compared to conventional consolidation methods.