热压和冷压-烧结的半导体性能低于晶体生长法制备的性能。现用于热电致冷的半导体材料的主要成分是Ｂｉ,Ｓｂ,Ｔｅ和Ｓｅ,目前最高的Ｚ值为3 0×10-3/Ｋ,而用ＳＰＳ制备的热电半导体的Ｚ值已达到2 9～3 0×10-3/Ｋ,几乎等于单晶半导体的性能[30]。表2是ＳＰＳ和其它方法生产ＢｉＴｅ材料的比较。
5 3 铁电材料
用ＳＰＳ烧结铁电陶瓷ＰｂＴｉＯ3时,在900℃～1000℃下烧结1～3ｍｉｎ,烧结后平均颗粒尺寸<1μｍ,相对密度超过98%。由于陶瓷中孔洞较少[31],因此在101～106Ｈｚ之间介电常数基本不随频率而变化。
用ＳＰＳ制备铁电材料Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12陶瓷时,在烧结体晶粒伸长和粗化的同时,陶瓷迅速致密化。用ＳＰＳ容易得到晶粒取向度好的试样,可观察到晶粒择优取向的Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12陶瓷的电性能有强烈的各向异性[32]。
用ＳＰＳ在900℃烧结制备的ＢａＴｉＯ3陶瓷,其晶粒尺寸接近200ｎｍ[33]。
用ＳＰＳ制备铁电Ｌｉ置换ＩＩ ＶＩ半导体ＺｎＯ陶瓷,使铁电相变温度Ｔｃ提高到470Ｋ,而以前冷压烧结陶瓷只有330Ｋ[34]。
5 4 磁性材料
用ＳＰＳ烧结Ｎｄ Ｆｅ Ｂ磁性合金,若在较高温度下烧结,可以得到高的致密度,但烧结温度过高会导致出现α相和晶粒长大,磁性能恶化。若在较低温度下烧结,虽能保持良好的磁性能,但粉末却不能被完全压实,因此要详细研究密度与性能的关系[35]。
ＳＰＳ在烧结磁性材料时具有烧结温度低、保温时间短的工艺优点。Ｎｄ Ｆｅ Ｃｏ Ｖ Ｂ在650℃下保温5ｍｉｎ,即可烧结成接近完全密实的块状磁体,没有发现晶粒长大[36]。用ＳＰＳ制备的86 5Ｆｅ 6Ｓｉ 4Ａｌ 3 5Ｎｉ和ＭｇＦｅ2Ｏ4的复合材料(850℃,130ＭＰａ),具有高的饱和磁化强度Ｂｓ=1 2Ｔ和高的电阻率ρ=1×10-2Ω·ｍ[37]。
以前用快速凝固法制备的软磁合金薄带,虽已达到几十纳米的细小晶粒组织,但是不能制备成合金块体,应用受到限制。而现在采用ＳＰＳ制备的块体磁性合金的磁性能已达到非晶和纳米晶组织带材的软磁性能[3]。
5 5 纳米材料
致密纳米材料的制备越来越受到重视。利用传统的热压烧结和热等静压烧结等方法来制备纳米材料时,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,可显著抑制晶粒粗化。例如:用平均粒度为5μｍ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[3]。文献[3]中引用有关实例说明了ＳＰＳ烧结中晶粒长大受到最大限度的抑制,所制得烧结体无疏松和明显的晶粒长大。
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烧结制备纳米材料有一定的困难。
但是实际上已有成功制备平均晶粒度为65ｎｍ的ＴｉＮ密实体的实例。在文献[38]中,非晶粉末用ＳＰＳ烧结制备出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[7],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。
5 6 非晶合金的制备
在非晶合金的制备中,要选择合金成分以保证合金具有极低的非晶形成临界冷却速度,从而获得极高的非晶形成能力。在制备工艺方面主要有金属模浇铸法和水淬法,其关键是快速冷却和控制非均匀形核。由于制备非晶合金粉末的技术相对成熟,因此多年来,采用非晶粉末在低于其晶化温度下进行温挤压、温轧、冲击(爆炸)固化和等静压烧结等方法来制备大块非晶合金,但存在不少技术难题,如非晶粉末的硬度总高于晶态粉末,因而压制性能欠佳,其综合性能与旋淬法制备的非晶薄带相近,难以作为高强度结构材料使用[39]。可见用普通粉末冶金法制备大块非晶材料存在不少技术难题。
ＳＰＳ作为新一代烧结技术有望在这方面取得进展,文献[40]中利用ＳＰＳ烧结由机械合金化制取的非晶Ａｌ基粉末得到了块状圆片试样(10ｍｍ×2ｍｍ),此非晶合金是在375ＭＰａ下503Ｋ时保温20ｍｉｎ制备的,含有非晶相和结晶相以及残余的Ｓｎ相。其非晶相的结晶温度是533Ｋ。文献[41]中用脉冲电流在423Ｋ和500ＭＰａ下制备了Ｍｇ80Ｎｉ10Ｙ5Ｂ5块状非晶合金,经分析其中主要是非晶相。非晶Ｍｇ合金比Ａ291Ｄ合金和纯镁有较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度,非晶化改善了镁合金的抗腐蚀抗力。从实践来看,可以采用ＳＰＳ烧结法制备块状非晶合金。因此利用先进的ＳＰＳ技术进行大块非晶合金的制备研究很有必要。
6 总结与展望
放电等离子烧结(ＳＰＳ)是一种低温、短时的快速烧结法,可用来制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料、复合材料、梯度材料等。ＳＰＳ的推广应用将在新材料的研究和生产领域中发挥重要作用。
ＳＰＳ的基础理论目前尚不完全清楚,需要进行大量实践与理论研究来完善;ＳＰＳ需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量,以便做尺寸更大的产品;特别需要发展全自动化的ＳＰＳ生产系统,以满足复杂形状、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要[42]。
对实际生产来说,需要发展适合ＳＰＳ技术的粉末材料;也需要研制比目前使用的模具材料(石墨)强度更高、重复使用率更好的新型模具材料,以提高模具的承载能力和降低模具费用。
在工艺方面,需要建立模具温度和工件实际温度的温差关系,以便更好地控制产品质量。在ＳＰＳ产品的性能测试方面,需要建立与之相适应的标准和方法。
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