放電等離子燒結工藝對不導電材料整體電阻的影響

放電等離子燒結工藝對不導電材料整體電阻的影響

駱俊廷1,2劉永康1申江龍1張春祥2

1.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學),秦皇島,066004

2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室,秦皇島,066004

摘要：基于Si3N4納米陶瓷放電等離子燒結(SPS)試驗數據,研究了不導電材料燒結過程中燒結系統整體電阻的變化規律。結果表明:燒結溫度與燒結粉體高度是影響燒結系統整體電阻的兩大因素，在燒結的升溫階段，電阻隨著溫度的升高和粉體高度的減小逐漸減小，當粉體燒結致密后，如果燒結溫度繼續升高，則電阻逐漸增大。根據燒結試驗結果，得到了總電阻隨燒結溫度與粉體初始高度的變化曲線，并用SiC陶瓷材料的SPS試驗數據對所擬合公式進行了驗證，證明了該公式對不導電材料在SPS燒結過程中燒結系統整體電阻變化規律的適用性。

關鍵詞:Si3N4;納米陶瓷;不導電材料;放電等離子燒結;整體電阻

中圖分類號:TF124

收稿日期：2014-12-29

基金項目：燕山大學青年教師自主研究計劃資助項目(14LA002)

作者簡介：駱俊廷，男，1975年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為精密成形工藝及仿真技術、難變形材料塑性加工技術。發表論文80余篇。劉永康，男,1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。申江龍,男,1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。張春祥，男，1980年生。燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室助理研究員。

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

放電等離子燒結(spark plasma sintering,

SPS)技術是20世紀90年代興起的一種制備新材料的高新技術,由于其具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控、節能環保等多種鮮明的特點,因此近年來得到了廣泛的發展和重視[1-2]。

隨著SPS燒結技術的進步,燒結材料的種類越來越多，燒結的樣品尺寸越來越大，形狀也日趨復雜,與SPS燒結過程相關的基礎研究也得到廣泛展開?？蒲腥藛T采用多種有限元分析軟件對SPS燒結過程進行了熱、電、力三場耦合模擬分析，模擬出了燒結過程中燒結核心部位溫度場、應力場和電場的分布規律，并直觀地描述了燒結過程中影響材料燒結質量的因素,給實際燒結工藝參數的優化和改進提供了良好的理論基礎[3-5]。

SPS燒結具有低電壓大電流的特性,燒結系統的整體電阻是影響燒結系統發熱的重要因素[6],燒結過程中隨著粉末的致密化，燒結系統的整體電阻是實時變化的，然而目前還少見對SPS燒結過程中整體電阻變化規律研究的文獻報道，一般在進行模擬和計算時都假設其為常值,這嚴重影響了模擬和計算的準確性。由于導電材料與不導電材料在燒結機理方面存在很大的差異，故整體電阻變化對其燒結行為的影響也有很大不同,對導電材料來說,放電等離子的產生對燒結產生重要影響,而對非導電材料來說，燒結系統核心部位在電學方面表現為純電阻電路,因此其適于用歐姆定律[7]。本文在Si2N4納米陶瓷燒結試驗數據的基礎上,研究不導電材料燒結過程中燒結系統整體電阻的變化規律。

1Si3N4納米陶瓷燒結試驗

1.1燒結工藝及設備

首先，將Si3N4、AlN、Y2O3和Al2O3以質量比72∶14∶4∶10的比例混合,其次以無水乙醇為介質,采用氧化鋁磨罐和磨球在QM-ISP2L行星式球磨機中球磨24h,轉數為200r/min,然后將漿體在小型煅燒爐中進行烘干,烘干溫度為120℃,最后將烘干后得到的塊體放入研缽中進行人工研磨,得到燒結試驗用粉體材料[8-9]。

燒結試驗的升溫速率為100℃/min,升到指定溫度后不進行保溫，初始測溫點設置為575℃,燒結試驗加載機械壓力30MPa。試驗燒結設備為日本住友石炭礦業株式會社產的SPS-3.20MK-Ⅳ型放電等離子燒結機。采用ON-OFF直流脈沖電源,最大加載電流為10000A,燒結壓力為5～200kN,燒結試樣最大尺寸為100mm，最高燒結溫度為2000℃,最大升溫速率為100℃/min,真空度極限為mPa。

燒結系統結構如圖1所示,燒結模具為國產高強石墨模具，其尺寸為最常用的模具尺寸,如表1所示。

圖1　燒結系統結構示意圖

名稱材料直徑(mm)高度(mm)電極Inconel60012035大墊塊石墨12020中墊塊石墨10020小墊塊石墨8040壓頭石墨2024模具石墨外徑48,內徑2040

1.2試驗燒結數據

不同燒結溫度t和不同粉體初始高度h的電壓、電流、電阻隨燒結溫度變化曲線分別如圖2和圖3所示。由于整個燒結過程中，燒結系統表現為低電壓大電流的純電阻電路，因此根據歐姆定律可以得到在不同燒結條件下，燒結系統整體電阻隨溫度的變化曲線，如圖4所示。

圖2　不同燒結條件下電壓隨溫度的變化曲線

圖3　不同燒結條件下電流隨溫度的變化曲線

圖4　不同燒結條件下電阻隨溫度的變化曲線

從圖4可以看出,在整個燒結過程中燒結系統的電阻值很小(不到0.01Ω),這完全體現了SPS低電壓大電流燒結的特點；燒結系統的電阻值隨燒結溫度的升高呈現下降的趨勢，這主要是由兩方面原因導致的,一是因為石墨的電阻率隨溫度的升高而降低，二是在燒結過程中，隨著溫度的升高，燒結粉體開始致密，粉體高度發生變化，導致電阻發生變化,粉體初始高度越高則電阻值就越大。

在燒結粉體之前,對粉體進行預壓,使粉體在常溫下從松散的狀態變為壓實的狀態，加載的壓力為5MPa,粉體經過一定的壓實后其相對密度大約在0.35～0.40之間。在不同的燒結溫度下，測量得到的粉體初始高度與燒結后高度之間的關系如表2所示。

表2　粉體初始高度與粉體燒結后高度之間的關系

2燒結系統整體電阻公式推導

從圖4可以看出燒結系統電阻變化呈二次曲線變化規律，在模具尺寸一定的情況下，燒結系統的電阻是燒結溫度與燒結粉體初始高度的函數，假設燒結系統的整體電阻與燒結溫度之間存在如下關系：

(1)

式中,R為燒結系統電阻;a、b、c為與粉體初始高度相關參數。

經過對圖4中的曲線進行擬合,可以得到在不同的燒結溫度下,不同的粉體初始高度所對應的系數a、b、c的值,如表3所示。

表3　不同粉體初始高度下的a、b、c值

由表3可以看出,a、b、c三個系數與粉體初始高度h之間基本滿足二次函數的關系,用二次曲線對表3中數據進行擬合，可得到如下關系：

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公式驗證

SPS粉體燒結主要分為兩類:一類是導電材料，一類是不導電材料。導電材料的燒結要比不導電材料的燒結過程復雜[10],不導電材料在燒結過程中熱源主要來自于石墨模具產生的焦耳熱,粉體本身不產生熱,因此在相同模具尺寸下燒結不導電材料的過程中，不導電材料的種類對燒結系統電阻基本沒有影響，燒結系統電阻只跟燒結粉體的高度與燒結溫度有關，上述公式對不導電材料是通用的。本文以SiC粉體放電燒結為例,對式(1)的通用性進行驗證,燒結試驗條件與1.1節Si3N4陶瓷的基本相同,SiC粉體的燒結溫度為1900℃,燒結初始高度為3mm,燒結后高度為1.2mm。燒結電壓、電流與模具中心點溫度值之間的關系如圖5和圖6所示。

圖5　SiC燒結電壓隨溫度的變化曲線

圖6　SiC燒結電流隨溫度的變化曲線

圖7所示為采用式(1)計算的燒結系統整體電阻和試驗得到的SiC陶瓷放電燒結整體電阻的對比曲線,從圖中可以看出，兩條曲線吻合良好，從而驗證了式(1)的正確性。

圖7　SiC陶瓷放電燒結整體電阻的計算 結果和試驗結果比較

4結論

(1)對于不導電材料,燒結溫度與燒結粉體高度是影響放電等離子燒結系統整體電阻的兩大因素,在燒結的升溫階段，電阻隨著溫度的升高和粉體高度的減小逐漸減小，當粉體燒結致密后，如果燒結溫度繼續升高,則電阻逐漸增大。

(2)Si3N4和SiC兩種不導電材料放電燒結結果表明，不導電材料放電燒結整體電阻隨燒結溫度與粉體初始高度的變化關系可以用同一條二次曲線來描述。

參考文獻:

[1]GaoLian,JinXihai,KawaokaH,etal.MicrostructureandMechanicalPropertiesofSiC-mulliteNanocompositePreparedbySparkPlasmaSintering[J].MaterialScienceandEngineeringA,2002,334(1/2):262-265.

[2]RobertoO,LicheriR,LocciAM,etal.Consolidation/SynthesisofMaterialsbyElectricCurrentActivated/AssistedSintering[J].MaterialsScienceandEngineeringR,2009,63(4/6):127-287.

[3]LuoJunting,SunYan,ZhangChunxiang.Thermal-electricalCoupledAnalysisandExperimentalInvestigationonSparkPlasmaSinteringofSiCCeramics[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology(MaterialsScienceEdition),2012,27(6):1120-1124.

[4]WolffC,MercierS,CouqueH,etal.ModelingofConventionalHotCompactionandSparkPlasmaSinteringBasedonModifiedMicromechanicalModelsofPorousMaterials[J].MechanicsofMaterials,2012,49:72-91.

[5]MunirZA.TheEffectofExternalElectricFieldsontheNatureandPropertiesofMaterialsSynthesizedbySelf-propagatingCombustion[J].MaterialsScienceandEngineering,2000,287(2):125-137.

[6]SongShixue,WangZhi,ShiGuopu.HeatingMechanismofSparkPlasmaSintering[J].CeramicsInternational,2013,39(2):1393-1396.

[7]PaviaA,DurandL,AjustronF,etal.Electro-thermalMeasurementsandFiniteElementMethodSimulationsofaSparkPlasmaSinteringDevice[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2013,213(8):1327-1336.

[8]LuoJunting,LiuRiping.FormationandVanishmentoftheIntragranularMicrostructureinSi2N2O/Si3N4Nanocomposites[J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences,2010,53(1):286-289.

[9]LuoJunting,LiuRiping.EffectofAdditivesontheSinteringofAmorphousNano-sizedSilicon[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology(MaterialsScienceEdition),2009,24(4):537-539.

[10]孫燕,駱俊廷,江磊,等.CuNi合金放電等離子燒結溫度場的熱電耦合分析[J].粉體冶金材料科學與工程,2012,17(1):25-31.

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

(編輯袁興玲)