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35TSPS等離子燒結(jié)爐設(shè)計方案

來源:鄭州成越科學(xué)儀器有限公司   2025年08月14日 17:24  

針對35T SPS(放電等離子燒結(jié))爐的詳細設(shè)計方案,涵蓋設(shè)備架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新、工藝控制策略及典型應(yīng)用場景,適用于超硬材料(如金剛石-金屬復(fù)合材料)、納米陶瓷、高熵合金等高性能材料的快速致密化燒結(jié):

 

1. 設(shè)備核心指標

最大壓力:35噸(可擴展至50T

升溫速率:100-500°C/min(最高溫度2200°C

真空度:10?3 Pa(可選氣氛:Ar/N?/H?

脈沖電流:DC脈沖(峰值5000A,頻率1-10kHz

適用模具:φ20-100mm(石墨/碳化鎢材質(zhì))

 

2. 關(guān)鍵模塊設(shè)計

(1) 壓力-溫度協(xié)同系統(tǒng)

 

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振蕩壓力技術(shù):

頻率0.1-5Hz,振幅±5%設(shè)定壓力

作用:破碎顆粒團聚,促進顆粒重排(尤其對納米粉體)

多區(qū)溫控:

模具軸向分3區(qū)獨立加熱(溫差<±10°C

采用鎢錸熱電偶(W-3%Re/W-25%Re,精度±2°C

(2) 脈沖電流系統(tǒng)

參數(shù)

常規(guī)SPS

本方案創(chuàng)新點

電流波形

方波

可編程波形(鋸齒/階梯/脈沖群)

頻率調(diào)節(jié)

固定頻率

動態(tài)變頻(1-20kHz自動匹配阻抗)

電極設(shè)計

單點接觸

多觸點均流電極(接觸電阻<0.1Ω

(3) 真空與氣氛控制

分子泵組:極限真空10?3 Pa(抽速2000L/s

氣體噴射冷卻:高壓Ar氣淬火(冷卻速率>200°C/s

氧含量監(jiān)測:ZrO?傳感器(檢測下限1ppm

 

3. 創(chuàng)新性技術(shù)亮點

(1) 多物理場耦合燒結(jié)

電磁--力協(xié)同:

通過COMSOL模擬優(yōu)化脈沖電流路徑(電流密度偏差<5%

壓力-電流相位同步控制(延遲<1ms

(2) 智能工藝優(yōu)化

機器學(xué)習(xí)模型:

輸入:粉體特性(粒度、比表面積等)+目標密度

輸出:推薦壓力-溫度-電流曲線(預(yù)測精度>90%

數(shù)字孿生:

實時對比虛擬燒結(jié)與實際數(shù)據(jù),動態(tài)修正參數(shù)

(3) 原位監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測類型

技術(shù)方案

參數(shù)范圍

密度演化

激光超聲測厚

分辨率±0.1%相對密度

晶粒生長

高溫XRD(選配)

晶粒尺寸檢測下限10nm

應(yīng)力分布

光纖光柵傳感器(模具嵌入)

應(yīng)變測量精度±5με

 

4. 典型工藝案例

(1) 金剛石-銅復(fù)合材料

參數(shù):

壓力:30MPa

溫度:850°C(保溫3min

電流:3000A(脈沖模式,占空比50%

效果:

熱導(dǎo)率>600W/mK(接近理論值)

金剛石體積分數(shù)70%時相對密度>99%

(2) 納米氧化鋯陶瓷

特殊工藝:

兩段式燒結(jié):
1200°C/50MPa(晶界活化)
1350°C/10MPa(抑制晶粒生長)

脈沖電流頻率:5kHz(減少孔隙殘留)

性能:

平均晶粒尺寸<100nm

斷裂韌性8MPa·m1/2(傳統(tǒng)燒結(jié)的1.5倍)

 

5. 安全與節(jié)能設(shè)計

風(fēng)險類型

解決方案

模具破裂

石墨模具預(yù)涂BN涂層(耐熱沖擊性+30%

電弧放電

實時阻抗監(jiān)測(響應(yīng)時間<10μs

能源浪費

余熱回收系統(tǒng)(節(jié)能>15%

 

6. 設(shè)備擴展性

模塊化壓力框架:可通過疊加模塊升級至100T

多場耦合選項:

選配磁場模塊(1T永磁體,用于取向燒結(jié))

選配機械振動臺(50-200Hz,促進顆粒重排)

 

7. 技術(shù)經(jīng)濟性分析

項目

本方案

傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)

燒結(jié)時間

10-30分鐘

2-5小時

晶粒尺寸

可控制在100nm以下

通常>500nm

能耗成本

80-120/爐次

200-300/爐次

 

結(jié)論

35T SPS燒結(jié)爐通過多物理場精確調(diào)控與智能化工藝控制,實現(xiàn)了高性能材料的快速致密化。其核心優(yōu)勢在于:
 納米結(jié)構(gòu)保留能力(晶粒生長抑制);
 異質(zhì)材料界面優(yōu)化(如金屬-陶瓷復(fù)合材料);
 工藝可重復(fù)性(CV3%)。

未來發(fā)展方向:

超高溫版本(>2500°C,采用石墨烯加熱體)

工業(yè)化量產(chǎn)型(多腔體并聯(lián),產(chǎn)能提升5倍)

綠色制造(脈沖電流能量利用率提升至>80%


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