SPS壓力燒結(jié)爐，全稱為放電等離子燒結(jié)爐（Spark Plasma Sintering Furnace），是一種先進的材料制備技術(shù)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、材料科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域。是利用脈沖電流通過粉末顆粒時產(chǎn)生的放電等離子體，實現(xiàn)材料的快速燒結(jié)。當(dāng)脈沖電流通過粉末顆粒時，顆粒之間的氣隙會發(fā)生電火花放電，產(chǎn)生高溫等離子體。這些等離子體中的活性粒子具有高的能量，能夠促進粉末顆粒表面的氧化膜分解，提高粉末表面的活性，并促進顆粒間的接觸和粘結(jié)。在放電等離子體的高溫作用下，粉末顆粒表面迅速升溫，達到燒結(jié)溫度，進而在外部壓力的作用下形成緊密的燒結(jié)體。
以下是SPS壓力燒結(jié)爐其主要應(yīng)用領(lǐng)域：
一、硬質(zhì)合金領(lǐng)域
高性能刀具制造
用于生產(chǎn)具有高硬度、高強度和優(yōu)異耐磨性的刀具材料。例如，在制造金屬切削刀具時，通過SPS燒結(jié)可以制備出晶粒細小且均勻分布的硬質(zhì)合金刀具，像碳化鎢（WC）-鈷（Co）類刀具。與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，SPS燒結(jié)能在短時間內(nèi)達到較高的致密度，大大提高了刀具的使用壽命和加工精度。
可制備含納米顆粒增強的復(fù)合刀具材料。將納米尺寸的碳化鈦（TiC）、氮化硅（Si?N?）等陶瓷顆粒添加到硬質(zhì)合金基體中，利用SPS技術(shù)快速燒結(jié)，能夠有效抑制晶粒長大，使刀具兼具高硬度和較好的韌性，適用于高速切削和難加工材料的加工。
耐磨零件生產(chǎn)
對于石油、礦山等行業(yè)中使用的耐磨零件，如鉆頭、截齒等，SPS壓力燒結(jié)爐可以制備出高性能的硬質(zhì)合金制品。這些零件在惡劣的工作環(huán)境下，需要承受巨大的摩擦力和沖擊力。通過SPS燒結(jié)工藝，能夠使材料內(nèi)部的孔隙減少到低限度，提高材料的致密度和強度，從而大大增強了零件的耐磨性能。
還可以制造模具中的耐磨部件，如沖壓模具的沖頭和凹模。這些模具部件在高速沖壓過程中容易磨損，使用SPS燒結(jié)的硬質(zhì)合金材料制作的模具部件，能夠有效延長模具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率。
二、陶瓷材料領(lǐng)域
結(jié)構(gòu)陶瓷制備
用于制備高性能的結(jié)構(gòu)陶瓷，如氧化鋁（Al?O?）、氧化鋯（ZrO?）陶瓷。在SPS燒結(jié)過程中，由于其快速的升溫和加壓特點，能夠有效抑制晶粒生長，得到具有納米或亞微米級晶粒尺寸的陶瓷材料。這種細晶結(jié)構(gòu)的陶瓷材料具有較高的強度和韌性，可用于制造陶瓷軸承、陶瓷刀具等機械部件。
可以制備復(fù)雜形狀的陶瓷部件。例如，在航空航天領(lǐng)域中的一些特殊零部件，采用SPS技術(shù)可以通過模具設(shè)計實現(xiàn)近凈成形，減少了后續(xù)加工工序，提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。
功能陶瓷合成
在電子陶瓷方面，SPS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備壓電陶瓷、熱釋電陶瓷等功能材料。例如，制備鈦酸鋇（BaTiO?）基壓電陶瓷，SPS燒結(jié)能夠精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和相組成，從而提高其壓電性能。這種高性能的壓電陶瓷可用于制造傳感器、換能器等電子設(shè)備。
對于固體氧化物燃料電池（SOFC）中的電解質(zhì)材料，如釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ），SPS壓力燒結(jié)爐可以在較低的溫度下實現(xiàn)快速燒結(jié)，制備出高致密度、離子導(dǎo)電率高的電解質(zhì)隔膜，有助于提高燃料電池的性能和效率。
三、金屬材料領(lǐng)域
難熔金屬及合金制備
用于制備難熔金屬及其合金，如鎢（W）、鉬（Mo）、錸（Re）等。這些金屬具有高熔點、高硬度等特點，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法往往需要高的溫度和較長的時間，而SPS技術(shù)可以在相對較低的溫度下實現(xiàn)快速燒結(jié)。例如，在制備鎢-銅（W-Cu）合金時，SPS燒結(jié)能夠有效地控制合金的致密度和微觀組織，使其具有良好的導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)，這種合金可用于電子封裝中的熱沉材料。
對于一些活性較高的難熔金屬，如鈦（Ti）、鋯（Zr）等，SPS燒結(jié)可以在惰性氣氛或真空環(huán)境下進行，避免材料的氧化和污染，制備出高純度、高性能的金屬材料。
金屬間化合物合成
在制備金屬間化合物方面也有重要應(yīng)用。例如，制備鈦鋁（TiAl）系金屬間化合物，SPS燒結(jié)能夠快速形成有序的金屬間化合物相，并且可以通過調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)來控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。這些金屬間化合物具有較低的密度和較高的高溫強度，在航空航天、汽車等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
四、復(fù)合材料領(lǐng)域
金屬基復(fù)合材料制備
用于制造金屬基復(fù)合材料，如鋁基復(fù)合材料、銅基復(fù)合材料等。以鋁基碳化硅（Al/SiC）復(fù)合材料為例，通過SPS燒結(jié)可以將碳化硅顆粒均勻地分散在鋁基體中，同時實現(xiàn)材料的快速致密化。這種復(fù)合材料具有高的比強度、比剛度和良好的耐磨性能，可用于航空航天、汽車等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件制造。
可以制備梯度功能材料，即材料的組成和性能在空間上呈連續(xù)梯度變化。例如，制備從陶瓷側(cè)到金屬側(cè)逐漸過渡的梯度功能材料，SPS技術(shù)可以通過逐步改變原料的配比和燒結(jié)工藝參數(shù)，實現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，這種材料在熱障涂層、電子封裝等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
陶瓷基復(fù)合材料合成
在陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，SPS技術(shù)可用于制備陶瓷-纖維、陶瓷-晶須等多種復(fù)合材料。例如，將碳纖維或碳化硅晶須加入到氧化鋁陶瓷基體中，通過SPS燒結(jié)可以得到具有優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合材料。這些復(fù)合材料可用于制造航空航天領(lǐng)域的高性能結(jié)構(gòu)件和功能部件。
