放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)具有在加壓過程中燒結(jié)的特點，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度。同時低電壓、高電流的特征，能使粉末快速燒結(jié)致密。
優(yōu)點：升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高，并且有著操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等
| SPS
| 型號 | SPS-30T-200 | |||
| 原理 | SPS技術(shù)是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進作用（放電沖擊壓力和焦耳加熱）外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象（瞬間產(chǎn)生高溫等離子體）所引起的燒結(jié)促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。 | ||||
| 優(yōu)點 | 1、腔體空間大，操作方便。 2、上下壓頭有熱電偶檢測溫度，如有異常，用戶會立即觀察到，關(guān)閉設(shè)備，保護設(shè)備免受損傷。 3、紅外測溫儀從爐頂測溫，比側(cè)面測溫更精準(zhǔn)。 4、水路系統(tǒng)做了水溫檢測、水壓監(jiān)測，如有異常會報警并自動切斷加熱。 5、安裝有防爆系統(tǒng)，當(dāng)腔體內(nèi)壓力超過設(shè)定壓力會報警并切斷加熱。 6、具有超溫、超壓、過流、欠壓、斷偶保護和顯示等。 | ||||
| 功率 | 203KW（電源200KW+機械泵2.2KW+其他） | ||||
| 壓頭直徑 | 135（mm） | ||||
| 外形尺寸 |
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| 電源電壓 | 三相 380V | ||||
| SPS電源
| 功率 | 200KVA | |||
| 輸入電壓 | 三相五線制AC380V/50Hz | ||||
| 輸出電流（瞬間） | DC 0-20000A | ||||
| 輸出電壓（瞬間） | DC 0-10 V（矩形波峰值） | ||||
| 脈沖參數(shù) | 開通時間：1-255 ms 關(guān)斷時間：1-255 ms 脈沖個數(shù)：1-255 ms 休止時間：3-255 ms | ||||
| 控制系統(tǒng)
| 控制系統(tǒng)由PLC程序加觸摸屏組成，觸摸屏中內(nèi)置本公司自主研發(fā)的控制系統(tǒng) 所有的操作都集成到觸摸屏中，人機交互界面友好，一鍵操作，簡單方便。
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| 腔體真空度（分子泵機組） | < 6X10 -4Pa | ||||
| 腔體充氣壓力 | < 0.05MPa | ||||
| 升壓率 | <4Pa/小時 | ||||
| 腔體內(nèi)室圖 |
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| 斷偶保護和顯示 | 有 | ||||
| 過溫保護 | 有 | ||||
| 過流保護 | 有 | ||||
| 欠壓保護（水壓） | 有 | ||||
| 控溫模式 | 智能PID | ||||
| 控溫精度 | ±1℃ | ||||
| 溫度檢測方式 | S型熱電偶和紅外測溫儀 S熱電偶測溫范圍0~1500℃ 進口紅外測溫儀，測溫范圍（500~3000℃） | ||||
| 觀察窗尺寸 | 有 | ||||
| 加壓系統(tǒng)
| 采用電動輸入方式。由液壓站配有進口比例閥、調(diào)節(jié)電位器、壓力傳感器、位移顯示器采用光柵尺（測距精度0.02mm）、液壓缸等相關(guān)液壓裝置，壓力調(diào)節(jié)手動自動可切換、可通過手動調(diào)節(jié)。可通過觸摸屏設(shè)定自動調(diào)節(jié)壓力，并能實現(xiàn)穩(wěn)壓、保壓。
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| 控溫方式 | 采用歐陸3504程序控溫儀表 1、高精度的溫度儀表，LCD液晶顯示屏，5位數(shù)值顯示，通過快速設(shè)置配置簡單，C/F單位切換 2、500段程序控溫，8組PID智能調(diào)節(jié)。 3、具有過溫保護 斷偶保護，過溫或斷偶時電爐加熱電路自動切斷,，（當(dāng)電爐溫度超過1820度或熱電偶燒斷時，主電路上的交流繼電器會自動斷開，主電路斷開，面板上ON燈熄滅，OFF燈亮，有限的保護電爐）。 4、支持各種通訊接口 Modbus, Ethernet, Profibus，Devicenet，可以與任意PLC或上位系統(tǒng)集成 5、具有斷電保護功能，即斷電后再給電啟動爐子時、程序不是從起始溫度開始升、而是從斷電時爐溫開始升。 6、儀表具有溫度自整定的功能 歐陸儀表 | ||||
| 石墨模具 | 1、高溫模具單元由高純石墨制成，工作壓強50MPa 2、請認(rèn)真設(shè)計高溫模具的尺寸，選擇正確的壓力。 | ||||
| 壓力控制 | PID程序控制 | ||||
| 壓頭行程 | 100mm | ||||
| 溫度 | 2300 ℃（受樣品性能、模具尺寸影響） | ||||
| 加壓壓力精度 | ±0.01T | ||||
| 壓力 | 30T | ||||
| 水路系統(tǒng) | 由管道等相關(guān)裝置組成。冷卻水總管進入后，經(jīng)過各支管送到爐體、爐蓋、爐底、水冷電極等需要冷卻水的地方，然后匯總到水管排出。冷卻水循環(huán)水管采用耐高溫橡膠管連接。總進水管上設(shè)有電接點壓力表，當(dāng)水壓低于0.2MPa時，自動切斷加熱?？偝鏊苌习惭b有溫度傳感器，當(dāng)溫度高于45℃時，自動切斷加熱
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| 真空機組
| 機組輸入電壓 | 380V /220V | |||
| 波紋管 | KF40X1000 | ||||
| 真空擋板閥 | KF40 | ||||
| BSV30
| 功率 | 2.2KW | |||
| 電壓 | 380V | ||||
| 轉(zhuǎn)速 | 1450rpm | ||||
| 進氣口徑 | KF25/KF40 | ||||
| 前機泵抽氣速率（L/S） | 15 | ||||
| 極限壓強 | 5×10 -1Pa | ||||
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復(fù)合真空計 | 復(fù)合真空計型號 | ZDF | |||
| 電源 | 220V 55W | ||||
| 控制精度 | ± 1% | ||||
| 真空計測量范圍 | 10-5 -10 5 Pa | ||||
| 二級泵 為分子泵
| 分子泵 （可以把腔體真空度抽到6X10E-4Pa）
| 分子泵型號 | FF200 | ||
| 輸入電壓 | 220V | ||||
| 分子泵進氣口法蘭 | DN200 | ||||
| 分子泵抽氣速率L/S（對空氣） | 1200 | ||||
| 分子泵極限壓強（Pa) | 6×10-7 | ||||
| 冷卻方式 | 水冷 | ||||
| 冷卻水壓（MPa） | 0.1-0.2 | ||||
| 冷卻水溫度 | <25℃ | ||||
| 環(huán)境溫度 | 0~40℃ | ||||
| 建議啟動壓強 | <10Pa | ||||
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| 二級泵為擴散泵
（選購） | 擴散泵 可以把腔體真空度抽到5X10E-3Pa） | 電壓 | 220V | |
| 功率 | 1500W | ||||
| 極限真空度（在無泄露時） | 10E-5Pa | ||||
| 進氣接口 | DN200 | ||||
| 出氣接口 | DN40 | ||||
| 注入油量 | 1.3L | ||||
| 抽氣速率（N2） | 2000L/S | ||||
| 水冷機（選購） HZ-12A | 電源 | 3PH-380V/50HZ | |||
| 輸入總功率 | 11.6KW | ||||
| 揚程 | 50M | ||||
| 冷凍水量 | 5.6m3/h | ||||
| 水箱容量 | 160L | ||||
| 制冷量 | 27.8*10-3Kcal/h | ||||
| 出入水口 | Rp1/2’’ | ||||
| 機器尺寸 | 1535×780×1515(長X寬X高) | ||||
1、什么是放電等離子體
放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering)簡稱SPS，是近年來發(fā)展起來的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結(jié)，因此有時也被稱為等離子活化燒結(jié)(Plasma Activated Sintering, PAS)或等離子體輔助燒結(jié)（Plasma Assister Sintering, PAS）。該技術(shù)是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進作用（放電沖擊壓力和焦耳加熱）外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象（瞬間產(chǎn)生高溫等離子體）所引起的燒結(jié)促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。
2、放電等離子體優(yōu)點
放電等離子體燒結(jié)由于強脈沖電流加在粉末顆粒間，因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù)，放電等離子體燒結(jié)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體，升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高，并且有著操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等優(yōu)點。
3、放電等離子體燒結(jié)的原理
SPS燒結(jié)機理目前還沒有達成較為統(tǒng)一的認(rèn)識，其燒結(jié)的中間過程還有待于進一步研究。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita提出放電等離子燒結(jié)的觀點，他認(rèn)為：粉末顆粒微區(qū)還存在電場誘導(dǎo)的正負(fù)極，在脈沖電流作用下顆粒間發(fā)生放電，激發(fā)等離子體，由放電產(chǎn)生的高能粒子撞擊顆粒間的接觸部分，使物質(zhì)產(chǎn)生蒸發(fā)作用而起到凈化和活化作用，電能貯存在顆粒團的介電層中，介電層發(fā)生間歇式快速放電，在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生自發(fā)熱。
目前一般認(rèn)為，SPS與熱壓(HP)有相似之處，但加熱方式不同，它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用。在SPS燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應(yīng)合成法(SHS)和微波燒結(jié)法類似，SPS是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進行燒結(jié)的。SPS燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進燒結(jié)的因素外，在SPS技術(shù)中，顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)（如去處表面氧化物等）和吸附的氣體。
4、放電等立體燒結(jié)工藝
在進行具體的SPS實驗操作時，將試樣裝入石墨模具中，模具置于上下電極之間，通過油壓系統(tǒng)加壓，然后對腔體抽真空，達到要求的真空度后通入脈沖電流進行實驗。脈沖大電流直接施加于導(dǎo)電模具和樣品上，通過樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面，在孔隙間局部放電，產(chǎn)生等離子體，粉末顆粒表面被活化、發(fā)熱，同時，通過模具的部分電流加熱模具，使模具開始對試樣傳熱，試樣溫度升高，開始收縮，產(chǎn)生一定的密度，并隨著溫度的升高而增大，直至達到燒結(jié)溫度后收縮結(jié)束，致密度達到。
5、放電等離子體燒結(jié)的應(yīng)用
由于SPS的燒結(jié)機理，SPS技術(shù)具有升溫速度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、節(jié)能環(huán)保等特點，SPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于納米材料、梯度功能材料、金屬材料、磁性材料、復(fù)合材料、陶瓷等材料的制備
