放电等离子烧结工艺对不导电材料整体电阻的影响

放电等离子烧结工艺对不导电材料整体电阻的影响

骆俊廷1,2刘永康1申江龙1张春祥2

1.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),秦皇岛,066004

2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,秦皇岛,066004

摘要：基于Si3N4纳米陶瓷放电等离子烧结(SPS)试验数据,研究了不导电材料烧结过程中烧结系统整体电阻的变化规律。结果表明:烧结温度与烧结粉体高度是影响烧结系统整体电阻的两大因素，在烧结的升温阶段，电阻随着温度的升高和粉体高度的减小逐渐减小，当粉体烧结致密后，如果烧结温度继续升高，则电阻逐渐增大。根据烧结试验结果，得到了总电阻随烧结温度与粉体初始高度的变化曲线，并用SiC陶瓷材料的SPS试验数据对所拟合公式进行了验证，证明了该公式对不导电材料在SPS烧结过程中烧结系统整体电阻变化规律的适用性。

关键词:Si3N4;纳米陶瓷;不导电材料;放电等离子烧结;整体电阻

中图分类号:TF124

收稿日期：2014-12-29

基金项目：燕山大学青年教师自主研究计划资助项目(14LA002)

作者简介：骆俊廷，男，1975年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为精密成形工艺及仿真技术、难变形材料塑性加工技术。发表论文80余篇。刘永康，男,1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。申江龙,男,1988年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。张春祥，男，1980年生。燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室助理研究员。

Influences of Spark Plasma Sintering Process on Overall Resistance of Non-conductive Materials

Luo Junting1,2Liu Yongkang1Shen Jianglong1Zhang Chunxiang2

1.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University),

Ministry of Education of China,Qinhuangdao,Hebei,066004

2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:The overall resistance variation of sintering system on non-conductive materials in spark plasma sintering was studied based on experimental data of Si3N4 nano-ceramic.Results show that sintering temperature and the height of the initial powder are the two key factors that affect the overall resistance.In the heating stage,the overall resistance gradually decreases with the rising of temperature and reducing of initial powder height,but when the powder sintering,if the sintering temperature continues to raise,the overall resistance increases gradually.According to the sintering test results,the curve of overall resistance with the initial powder height and the sintering temperature was obtained.And with the SPS test data of SiC ceramic material on the fitting formula was verified, the applicability of the formula for the spark plasma sintering of non-conductive material was demonstrated.

Key words:Si3N4;nano-ceramic;non-conductive material;spark plasma sintering(SPS);overall resistance

0引言

放电等离子烧结(spark plasma sintering,

SPS)技术是20世纪90年代兴起的一种制备新材料的高新技术,由于其具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等多种鲜明的特点,因此近年来得到了广泛的发展和重视[1-2]。

随着SPS烧结技术的进步,烧结材料的种类越来越多，烧结的样品尺寸越来越大，形状也日趋复杂,与SPS烧结过程相关的基础研究也得到广泛展开。科研人员采用多种有限元分析软件对SPS烧结过程进行了热、电、力三场耦合模拟分析，模拟出了烧结过程中烧结核心部位温度场、应力场和电场的分布规律，并直观地描述了烧结过程中影响材料烧结质量的因素,给实际烧结工艺参数的优化和改进提供了良好的理论基础[3-5]。

SPS烧结具有低电压大电流的特性,烧结系统的整体电阻是影响烧结系统发热的重要因素[6],烧结过程中随着粉末的致密化，烧结系统的整体电阻是实时变化的，然而目前还少见对SPS烧结过程中整体电阻变化规律研究的文献报道，一般在进行模拟和计算时都假设其为常值,这严重影响了模拟和计算的准确性。由于导电材料与不导电材料在烧结机理方面存在很大的差异，故整体电阻变化对其烧结行为的影响也有很大不同,对导电材料来说,放电等离子的产生对烧结产生重要影响,而对非导电材料来说，烧结系统核心部位在电学方面表现为纯电阻电路,因此其适于用欧姆定律[7]。本文在Si2N4纳米陶瓷烧结试验数据的基础上,研究不导电材料烧结过程中烧结系统整体电阻的变化规律。

1Si3N4纳米陶瓷烧结试验

1.1烧结工艺及设备

首先，将Si3N4、AlN、Y2O3和Al2O3以质量比72∶14∶4∶10的比例混合,其次以无水乙醇为介质,采用氧化铝磨罐和磨球在QM-ISP2L行星式球磨机中球磨24h,转数为200r/min,然后将浆体在小型煅烧炉中进行烘干,烘干温度为120℃,最后将烘干后得到的块体放入研钵中进行人工研磨,得到烧结试验用粉体材料[8-9]。

烧结试验的升温速率为100℃/min,升到指定温度后不进行保温，初始测温点设置为575℃,烧结试验加载机械压力30MPa。试验烧结设备为日本住友石炭矿业株式会社产的SPS-3.20MK-Ⅳ型放电等离子烧结机。采用ON-OFF直流脉冲电源,最大加载电流为10000A,烧结压力为5～200kN,烧结试样最大尺寸为100mm，最高烧结温度为2000℃,最大升温速率为100℃/min,真空度极限为mPa。

烧结系统结构如图1所示,烧结模具为国产高强石墨模具，其尺寸为最常用的模具尺寸,如表1所示。

图1　烧结系统结构示意图

名称材料直径(mm)高度(mm)电极Inconel60012035大垫块石墨12020中垫块石墨10020小垫块石墨8040压头石墨2024模具石墨外径48,内径2040

1.2试验烧结数据

不同烧结温度t和不同粉体初始高度h的电压、电流、电阻随烧结温度变化曲线分别如图2和图3所示。由于整个烧结过程中，烧结系统表现为低电压大电流的纯电阻电路，因此根据欧姆定律可以得到在不同烧结条件下，烧结系统整体电阻随温度的变化曲线，如图4所示。

图2　不同烧结条件下电压随温度的变化曲线

图3　不同烧结条件下电流随温度的变化曲线

图4　不同烧结条件下电阻随温度的变化曲线

从图4可以看出,在整个烧结过程中烧结系统的电阻值很小(不到0.01Ω),这完全体现了SPS低电压大电流烧结的特点；烧结系统的电阻值随烧结温度的升高呈现下降的趋势，这主要是由两方面原因导致的,一是因为石墨的电阻率随温度的升高而降低，二是在烧结过程中，随着温度的升高，烧结粉体开始致密，粉体高度发生变化，导致电阻发生变化,粉体初始高度越高则电阻值就越大。

在烧结粉体之前,对粉体进行预压,使粉体在常温下从松散的状态变为压实的状态，加载的压力为5MPa,粉体经过一定的压实后其相对密度大约在0.35～0.40之间。在不同的烧结温度下，测量得到的粉体初始高度与烧结后高度之间的关系如表2所示。

表2　粉体初始高度与粉体烧结后高度之间的关系

2烧结系统整体电阻公式推导

从图4可以看出烧结系统电阻变化呈二次曲线变化规律，在模具尺寸一定的情况下，烧结系统的电阻是烧结温度与烧结粉体初始高度的函数，假设烧结系统的整体电阻与烧结温度之间存在如下关系：

(1)

式中,R为烧结系统电阻;a、b、c为与粉体初始高度相关参数。

经过对图4中的曲线进行拟合,可以得到在不同的烧结温度下,不同的粉体初始高度所对应的系数a、b、c的值,如表3所示。

表3　不同粉体初始高度下的a、b、c值

由表3可以看出,a、b、c三个系数与粉体初始高度h之间基本满足二次函数的关系,用二次曲线对表3中数据进行拟合，可得到如下关系：

a=-6.3730124136×10-11h2+

2.1748788390×10-9h-5.3926715865×10-9

(2)

b=1.0693338888×10-8h2-

4.0088978868×10-6h+1.0240380394×10-5

(3)

c=4.5219212986×10-5h2+2.2851579645×

10-3h-3.6867375671×10-3

(4)

3公式验证

SPS粉体烧结主要分为两类:一类是导电材料，一类是不导电材料。导电材料的烧结要比不导电材料的烧结过程复杂[10],不导电材料在烧结过程中热源主要来自于石墨模具产生的焦耳热,粉体本身不产生热,因此在相同模具尺寸下烧结不导电材料的过程中，不导电材料的种类对烧结系统电阻基本没有影响，烧结系统电阻只跟烧结粉体的高度与烧结温度有关，上述公式对不导电材料是通用的。本文以SiC粉体放电烧结为例,对式(1)的通用性进行验证,烧结试验条件与1.1节Si3N4陶瓷的基本相同,SiC粉体的烧结温度为1900℃,烧结初始高度为3mm,烧结后高度为1.2mm。烧结电压、电流与模具中心点温度值之间的关系如图5和图6所示。

图5　SiC烧结电压随温度的变化曲线

图6　SiC烧结电流随温度的变化曲线

图7所示为采用式(1)计算的烧结系统整体电阻和试验得到的SiC陶瓷放电烧结整体电阻的对比曲线,从图中可以看出，两条曲线吻合良好，从而验证了式(1)的正确性。

图7　SiC陶瓷放电烧结整体电阻的计算 结果和试验结果比较

4结论

(1)对于不导电材料,烧结温度与烧结粉体高度是影响放电等离子烧结系统整体电阻的两大因素,在烧结的升温阶段，电阻随着温度的升高和粉体高度的减小逐渐减小，当粉体烧结致密后，如果烧结温度继续升高,则电阻逐渐增大。

(2)Si3N4和SiC两种不导电材料放电烧结结果表明，不导电材料放电烧结整体电阻随烧结温度与粉体初始高度的变化关系可以用同一条二次曲线来描述。

参考文献:

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SunYan,LuoJunting,JiangLei,etal.Thermal-electricCoupledAnalysisonSparkPlasmaSinteringofCuNiAlloy[J].MaterialsScienceandEngineeringofPowderMetallurgy,2012,17(1):25-31.

(编辑袁兴玲)