脉冲大电流加热条件下原子的扩散机理

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1、武汉理J：人学硕士学位论文第一章绪论1．1脉冲大电流热加工技术研究现状脉冲电流热加工(PulseE1ectriCCurrentl[c}_ttTre∈Ltment)是九十年代发展起来的一种材料快速制备新技术，它包括放电等离子烧结与焊接、等离子活化烧结与焊接、脉冲大电流扩散焊接等。其基本特征是脉冲大电流直接通过模具或样品，导致样品温度快速升高(最快时，2分钟可达2000。C)，从而实现烧结或扩散。因此，可以将此类技术统称为脉冲犬电流热加一[技术。脉冲大电流热加工技术是一种极有潜力的快速制备Lj加工技术，已厅始用于金属、陶瓷、金属

2、阳J化合物、磁性材料、复合材料、梯度功能材料以及纳米材料的烧结和金属／陶瓷、陶瓷／陶瓷、金属／金属之问的连接。脉冲大电流热加工技术的历史可追溯到本世纪30年代，当时“脉冲电流烧结技术”引入美国。后来日本研究了类似但更先进的技术——电火花烧结，并于六十年代末获得专利¨l。但由于缺少有关的应用技术，也没有解决与工业生产、设备造价及烧结效率有关的技术问题，所以一直没有得到广泛的应用。1988年。R本井上研究所研制出第一台放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering，简称SPS)装置，具有5吨的最犬烧结压力，在材料研究领

3、域获得应用。1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10—100吨的最大烧结压力和脉冲电流5000～8000A。最近又研制出压力达500吨，脉冲电流为25000A的大型SPS装置。出于解决了相关的技术问题，能够实现快速、低温、高效烧结，脉冲大电流热加工技术已引起各国材料科学与工程界的极大兴趣口1⋯。1．1．1脉冲大电流热加工技术简介目前，世界上共有SPS装置100余台。如日本东北大学、大阪大学、美国加州大学、瑞典斯特哥尔摩大学、新加坡南洋理工大学等．相继j爿j有SPS系统，并在材料制备和加工领域发挥重

4、要作用。2000年6月武汉理工大学购武汉理工人学硕士学位论文置了国内首台SPS装置(SPS-1050)，随后清华大学、北京理工大学和上海硅酸盐研究所也相继购置了SPS装置，主要用来烧结纳米材料和陶瓷材料。1．脉冲大电流热加工装置及工作原理武汉理工大学购置的sPs一1050装置外观如图1—1所示，主要由两部分构成：脉冲电源发生器(右)和机械部分(左)，其中机械部分包括有：油压系统、真空系统、水冷系统、电力传输系统、真空烧结腔和控制系统。放电等离子烧结实验装置如图1—2所示。图1—1放电等离子烧结(SPS～1050)装置Fig．

5、1—1SparkPlasmaSinteringSystem(SPS一1050)SPS过程给一个承压导电模具加上可控的脉冲大电流。脉冲大电流通过模具，也通过样品本身。通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，击穿孔隙内残留气体，局部放电，促进晶粒间的局部接合；通过模具的部分电流加热模具，给样品提供一个外在的加热源。因此在SPS过程中样品同时被内外加热，加热可以很迅速，又因为仅仅模具和样品导通后得到加热，断电后它们即实现迅速冷却，冷却速度可达300℃／min以上。整个烧结过程一般在10min左右即可完成，用于施加压力的石墨垫片在通电

6、力Ⅱ热时用作电极。工作时，脉冲大电流经由上电极一上石墨盘一上石墨压头一模具及样品一下石武汉理1人学硕士学位论文墨压头一下石墨盘一下电极再回到电源。在此过程中，电能转变为热能，加热模具及样品。脉冲大电流烧结与热压(HP)烧结有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通一断式直流脉冲大电流直接通电加热的烧结方法。通一断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成

7、法(SHS)和微波烧结法类似，脉冲大电流烧结有效利用粉末内部的自身发热作用丽进行烧结。这种直接通电加热烧结方法，热效率极高，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。脉冲大电流烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表层氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。Lo■吐图】一2放电等离子烧结(SPS一】050)

8、实验装置Fig．1-2．Schematicoftheapparatususedforthesparkplasmasintering1一石墨模具；2一石墨盘；3一电极；4一压头；5一样品；6一真空室；7一红外测温仪l--Graphitedie；2--Graphiteplate；3一Punch