放电等离子烧结技术及其国内专利申请分析
摘 要：文章简单介绍了放电等离子烧结技术的原理、特点和应用，结合国内专利申请分析了当前放电等离子烧结技术相关专利申请的特点和趋势。
关键词：放电等离子烧结；专利数据分析
中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）21-0018-01
放电等离子烧结技术因其具有快速、低温、节能、环保等优点而被广泛地应用于制备纳米晶/超细晶、医用生物、大块非晶、梯度、钛基等新型的功能材料和工程材料。目前，放电等离子烧结技术仍是研究热点，其相关的国内专利申请日渐增多，应用前景也更加广阔。
1 放电等离子烧结技术的原理
放电等离子烧结技术是在加压条件下采用脉冲直流电通电的加热烧结方法，通过调控电流的大小影响加热的速度、烧结的温度、保温的时间等参数。整个烧结过程可以在真空环境下进行，也可以在氩气或氦气等保护气体中进行。
在烧结过程中，电极通入直流电流时放电瞬时间产生的等离子体使待烧结的样品内部各个颗粒自身产生大量的焦耳热，同时使得颗粒的表面迅速被激活活化。放电等离子烧结能充分高效地利用待烧结的样品内部的各个颗粒产生的焦耳热而进行烧结。放电等离子烧结属于直流电流放电的直接加热方法，加热加温速率很快，效率较高，各个颗粒的放电位置较多、分布均匀而弥散，进而能够充分且均匀地加热待烧结样品内部的粉末颗粒，从而可以获得加热充分均匀、粉末颗粒之间粘结性好、致密化程度高、质量上乘的烧结样品。放电等离子烧结实质上是待烧结的样品内部的各个颗粒放电、各个颗粒之间导电加热和外界加压等集中作用的结果。除开压力和温度这两个烧结的影响因素，在烧结过程中，待烧结样品内部的粉末颗粒之间的导电放电可以使颗粒表面的局部温度升高进而使得表面局部出现熔化，甚至表面物质微量剥落的现象；这样可以达到去除粉末颗粒的表面杂物和表面的吸附气体的效果，从而可以有效地提高颗粒表面质量及其烧结活性。
2 放电等离子烧结技术的特点
2.1 致密化程度高
放电等离子烧结技术在烧结过程中能够使待烧结的样品内部的粉末颗粒表面、粉末颗粒内部的晶粒表面活化，进而可以减小表面物质扩散的障碍，起到促发表面物质扩散传递的作用。在放电等离子的烧结过程中，待烧结样品内部的粉体颗粒的内部本身的导电加热能够有效地抑制晶粒的长大，在晶粒之间导电放电时，晶粒表面局部会产生较高的温度使得晶粒的局部表面被蒸发或被熔化；并且当晶粒与晶粒之间接触形成接触颈部时，可以进一步促发粉末颗粒之间的烧结；同时又因为这种局部发热加热作用，使得晶粒之间的接触颈部能够快速地冷却，从而降低接触颈部的蒸汽压力，引发晶粒之间的表面物质蒸发从而使得凝固传递加快，促发了待烧结样品内部的致密化。
2.2 节约能源
在放电等离子烧结的过程中，放电处存在于待烧结样品内部的粉末颗粒表面，由于放电处位置较多、分布均匀而弥散、且各个放电处温度较高，其可以在加压的条件下在待烧结样品内部的粉末颗粒之间移动并且分布满整个待烧结样品，这样能有效地将高能脉冲集中在晶粒结合处，使得样品均匀地发热，从而达到节约能源的效果。
2.3 烧结体质量上乘
通过综合利用通电断电控制直流的放电造成待烧结样品内部的粉末颗粒内的局部表面高温、粉末颗粒表面的净化、粉末颗粒内部的加热以及导电扩散等方式进而实现直接加热，其加热加温速度快、效率高，放电处多且分布均匀弥散，加热均匀，因此可以比较容易地获得质量上乘的烧结样品。
3 放电等离子烧结技术的应用
3.1 制备纳米材料
纳米材料因其具有高强度高塑性而具有广阔的应用前景。如何抑制晶粒的长大是获得纳米材料的关键。放电等离子烧结技术由于升温速度快、烧结时间短可以极大地抑制待烧结样品内部的晶粒的长大，从而可以获得晶粒为纳米级别的材料，尤其适用于通过机械合金化等方法获得的粉末的烧结。截至目前，采用放电等离子烧结方法已成功制备了多种纳米复合材料。
3.2 制备大块非晶合金
大块非晶合金因其具有高强度、高弹性模量和优异的耐腐蚀性能等而成为新型的功能和工程材料。目前制备大块非晶合金的方法主要是通过机械合金化制备非晶合金粉末，再利用放电等离子烧结方法在低温高压条件下对非晶合金粉末进行烧结。目前，采用上述方法制备的钛基大块非晶合金的烧结块体可达到直径20 mm，且具有较高的致密度，烧结块体的外周面具有明显的金属光泽。
3.3 制备梯度材料
梯度材料在金属陶瓷复合材料中比较常见，它是在某个方向上某种组分呈现梯度分布的复合材料。金属和陶瓷两者差异较大，二者的热传导率相差太大导致烧结过程时致密化的温度差别很大，二者之间界面的膨胀程度不同导致产生热内应力，因此，金属陶瓷复合材料制备时金属和陶瓷粘结起来极为困难。放电等离子烧结由于放电处多且分布均匀弥散，进而可以有效地解决上述烧结问题。放电等离子烧结技术制备梯度材料不仅容易控制成分和组织，而且烧结体的致密度化程度高。目前采用放电等离子烧结技术成功制备的梯度材料有：不锈钢/ZrO2系梯度材料；Ni/ZrO2系梯度材料；Ti-TiB2-B系复合梯度材料等。
3.4 制备钛基复合材料
钛基复合材料因其具有强度高、塑形好而密度小，且抗疲劳性能、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优异特点，而成为航天航空领域和汽车领域中最具有发展前景的新型材料之一。
目前，采用放电等离子烧结制备钛基复合材料已成为研究的热点。采用放电等离子烧结技术通过调整烧结时的升温速率、烧结温度、烧结时间等参数可以有效地控制钛基复合材料中各相的形貌、尺寸和分布。目前已成功制备的钛基复合材料有Ti、Cu、Ni、Sn、Nb合金等。
3.5 适用的其他制备
除上述各种复合材料的制备外，放电等离子烧结技术还适用于其他金属间化合物、多孔材料、氧化物超导材料、磁性材料等多种新材料的制备。
4 放电等离子烧结技术的国内专利申请分析
放电等离子烧结技术已广泛应用于各种新型材料的研究中，就其专利申请而言，目前国内专利申请涉及到放电等离子烧结技术的文件近600件；且多为高校或研究所申请。其中，申请较多的高校或研究所是：北京工业大学申请达85件，武汉理工大学大约47件，中国科学院上海硅酸盐研究所41件。这些专利申请主要利用放电等离子烧结技术制备纳米/超细晶复合材料、块状非晶复合材料、金属-陶瓷复合材料、梯度材料和生物材料，申请内容主要涉及采用放电等离子烧结技术制备材料及其相应的制备方法，例如：华南理工大学制备的一种高速行钛基超细晶复合材料及其制备方法，其采用高能球磨制备非晶态合金粉末，再利用放电等离子烧结技术在非晶合金粉末的晶化温度以上熔化温度以下进行烧结，获得了微观结构中以-Ti为基体相，（Cu、Ni）-Ti2为增强相的钛基超细晶复合材料，制备得到的材料的室温断裂强度可达2 235.8 MPa，断裂应变为22.6%。采用放电等离子烧结技术制备获得的材料主要通过扫描电镜照片、透射电镜照片来体现其微观结构，通过力学性能测试曲线来体现其性能。
5 结 语
放电等离子烧结技术已广泛应用于各种新型材料的研究中，且目前采用该技术制备了多种优异性能的新型材料。但受制备条件的约束，该技术仍处于研究阶段，其制备获得的烧结块体并不能满足人们的需要。如何将该技术推广到工业中，如何采用该技术获得综合性能更优异的材料，将是未来研究者努力的方向。
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