放電等離子燒結研究進展

放電等離子燒結是電流活化/輔助燒結（electric current activated/assisted

sintering）技術的一種，通過機械壓力、電場和熱場相結合，增強粒子間的結合

和致密化。放電等離子燒結采用了與熱壓工藝相同的沖壓/模具系統概念：粉末

放在模具中，壓在兩個反向滑動的沖頭之間，機械載荷通常是單軸的。但是，兩

者在加熱方式上有著根本上的不同，熱壓燒結通過發熱體輻射加熱，放電等離子

燒結是通過模具或樣品的電流產生焦耳熱。這種加熱方式可以獲得高達1000 ℃

/min 的升溫速率，大大縮短了升溫時間。此外，電流還可通過激活一個或多個

并行機制來增強粉末燒結，例如表面氧化物去除、電遷移和電塑性[2]。電流的

應用和較高的升溫速率是放電等離子燒結技術的最典型特征。

放電等離子燒結-電場的影響與等離子體

外加電場與晶界靜電場的相互作用對晶粒生長的影響是放電等離子燒結的

優勢之一。外部場可以同時改變毛細力和晶界遷移率，從而影響晶粒的生長動力

學。外加電場對于帶電晶界與點缺陷的極化會增加擴散的額外驅動力[4]。當晶

界處存在液體時，電場可降低液體粘度，從而提高液體的擴散率。電場的存在可

以起到降低陶瓷燒結溫度的作用。

對于導電材料，已經有研究證明燒結過程中會產生等離子體。Zhang 等[6] 在放電

等離子燒結銅粉的實驗中觀察到“噴射狀”的燒結頸存在于相鄰顆粒之間。他們認為在高

溫、高壓和電場的共同作用下，顆粒表面發生局部熔化，由于放電效應的存在，微間隙中

會產生高溫火花等離子體，液相在電場的作用下高速噴射而形成燒結頸。然而，在不導

電材料的放電等離子燒結過程中，并不能證明有等離子體產生。Langer 等對比研究了不同燒結工藝（放電等離子燒結、熱壓燒結）燒結 ZnO、Al2O3和8YSZ 的過

程，研究發現，得到的最終成品微觀形貌和力學性質都很相似，放電等離子燒結工藝中

的脈沖電流并未對材料的致密化有顯著影響。Munir 等[10] 采用放電等離子

燒結制備Al2O3，發現流過 Al2O3 的電流（100 mA）與儀器顯示總電流（1000 A）

相比微乎其微，這說明大部分電流通過的是石墨模具，加熱模式為模具產生的焦耳熱

向原料粉末進行熱擴散。

放電等離子燒結-升溫速率的影響及溫度場的分布

加熱速率是放電等離子燒結工藝和傳統熱壓（hot pressing，HP）工藝的顯著

區別之一。高達每分鐘數百攝氏度的加熱速率可以產生較大的熱梯度，從而產生額外驅

動力來增強擴散，有利于致密化，同時抑制晶粒生長。但這樣的解釋十分籠統，對于

不同導電性和粒徑原料，加熱速率對材料的致密化和晶粒尺寸有著不同的影響。

Stanciu 等[11] 在研究升溫速率對燒結Al2O3（非導體）和MoSi2（良導體）的影響

中發現，加熱速率（50～700 ℃/min）對兩者在相同溫度和相同保溫時間下燒結樣品的

最終密度沒有影響。MoSi2 的晶粒尺寸與升溫速率無關，而Al2O3 的晶粒尺寸與升溫速率

成反比。一個合理的解釋是燒結MoSi2 時熱量來源為通過原料粉末產生的焦耳熱，熱

量在原料間分布均勻，沒有溫度梯度產生；而Al2O3 的熱量來源為石墨模具產生的焦耳熱，

樣品外部溫度高、內部溫度低，由此產生的溫度梯度有利于擴散，升溫速率的提升縮短

了樣品處于高溫狀態的時間，抑制了晶粒的生長。Anselmi-Tamburini 等[12] 在納米完

全穩定立方氧化鋯的致密化工作中發現，樣品密度不依賴于升溫速率，但升溫速率（50～

300 ℃/min對于晶粒尺寸有著相似的影響。Chen 和 Mayo在放電等離子燒結氧化鋯的實

驗中發現，對于亞微米尺寸的粉末，最終密度不依賴于加熱速率，但是對于納米尺寸的

粉末，加熱速率的增加導致最終密度的降低。這是因為納米粉末有著更高的表面能，

更易燒結，而不導電的氧化鋯在熱量由外向內傳導的過程中，外部燒結太快，內部空隙

無法排出，導致密度降低。

由于原料粉末的導電性對于放電等離子燒結過程中樣品加熱方式的影響，樣品中的

溫度場分布在燒結不同材料時也有不同。Vanmeensel 等采用有限元分析模擬了放

電等離子燒結ZrO2 和TiN 樣品內部的溫度場分布情況，其中穩態溫度分布在滿載

后15 s 達到。由圖可知，不導電的ZrO2 由表面向內部溫度逐漸降低，導電的

TiN樣品則有相反的溫度梯度。這是因為 TiN 熱源為電流通過時自身產生的焦耳熱，

熱量向外界輻射，得不到補充，溫差較大；ZrO2 熱源為石墨模具，熱量由外向

內擴散，沒有損失途徑，溫差更小。

放電等離子燒結技術能在低溫下實現材料的快速致密化，抑制晶粒在高溫

下的生長，與熱壓燒結、無壓燒結等傳統燒結方法相比，可以在短時間內獲得性能更好

的材料。經過了 70 多年的研究發展，放電等離子燒結現在已經可以用于工業化生

產，近年來的商業化使得以放電等離子燒結為代表的先進燒結技術市場不斷擴大，尤其

是高端制造業方面，有著非常好的發展前景。B4C 作為航空航天領域、核工業領域和裝

甲防護領域的重要功能結構材料，

  目前，放電等離子燒結方法仍有其局限。一是燒結過程中電流效應的微觀

機理尚未闡明，若能探究清楚電場對顆粒表面清潔和對材料燒結動力學的影響，則能

在燒結過程中進行更精細的控制參數（電流、電流波形和電壓等）以獲得更好

的材料性能；二是放電等離子燒結作為一個近凈成形的過程，石墨模具會導致燒結體

的表面光潔度不合格或樣品被碳污染，預計未來燒結模具材料的發展將改變放電等離

子燒結技術；三是樣品尺寸受限，無法制備大尺寸復雜形狀的制品。如果突

破了這些局限，放電等離子燒結這一技術將得到飛躍式的發展。