Aplicación del SPS de sinterización por plasma por chispa en la preparación de materiales
En los últimos años, la investigación nacional y extranjera sobre nuevos materiales elaborados por SPS se ha centrado principalmente en cerámicas, cermets, compuestos intermetálicos, materiales compuestos y materiales funcionales. Entre ellos, los más estudiados son los materiales funcionales, incluidos los materiales termoeléctricos, los materiales magnéticos, los materiales de gradiente funcional, los materiales funcionales compuestos y los materiales nanofuncionales. También hemos intentado utilizar SPS para preparar aleaciones amorfas, aleaciones con memoria de forma y diamantes, y hemos obtenido buenos resultados. La composición de los materiales clasificados funcionalmente (FGM) cambia en un gradiente y las temperaturas de sinterización de cada capa son diferentes. Es difícil sinterizar en un solo paso utilizando los métodos de sinterización tradicionales. El costo de preparar materiales gradientes mediante métodos como CVD y PVD es muy alto y difícil de lograr la industrialización. Usando un molde escalonado de piedra se puede generar un gradiente de temperatura debido a las diferentes densidades de corriente en los extremos superior e inferior del molde. Utilizando el campo de gradiente de temperatura generado por SPS en el molde de molienda de piedra, se pueden sinterizar materiales gradientes con diferentes proporciones de composición en solo unos minutos. En la actualidad, los materiales de gradiente preparados con éxito por SPS incluyen: acero inoxidable/zro2; níquel/zirconia; aluminio/polímero/fibra vegetal;
En la síntesis de combustión autopropagante (SHS), el campo eléctrico tiene un gran efecto de activación y en particular, el efecto de activación del campo puede sintetizar con éxito materiales que antes no se podían sintetizar y ampliar el rango de composición. y controlar la composición de fases. Sin embargo, se obtiene un material poroso que requiere un procesamiento adicional para aumentar la densidad. Utilizando tecnología SPS similar a la activación de campo eléctrico SHS, se pueden sintetizar y densificar cerámicas, materiales compuestos y materiales de gradiente simultáneamente, y se pueden obtener nanocristales de 65 nm, lo que requiere un paso de densificación menos que SHS. SPS puede preparar mutilaciones genitales femeninas de gran tamaño. En la actualidad, el sistema FGM de gran tamaño preparado por SPS es ZrO_2(3y)/disco de acero inoxidable, y el tamaño ha alcanzado los 100 mm×17 mm.
Se deben agregar aditivos cuando se utiliza sinterización ordinaria y El polvo de WC prensado en caliente permite sinterizar WC puro. La dureza Vickers (HV) y la tenacidad a la fractura del material en gradiente WC/Mo preparado por SPS alcanzan 24 Gpa y 6 MPa·m 1/2 respectivamente, lo que reduce en gran medida el agrietamiento causado por la tensión térmica provocada por el desajuste en la expansión térmica de WC y Mo. . Debido a la alta confiabilidad y la no contaminación de la conversión de puntos calientes, los convertidores termoeléctricos han atraído recientemente un gran interés y se han estudiado muchos materiales de conversión termoeléctrica. De acuerdo con la búsqueda bibliográfica se encontró que entre los materiales funcionales preparados por SPS, existen muchos estudios sobre materiales termoeléctricos.
(1) El gradiente de composición de los materiales termoeléctricos es una de las formas efectivas de mejorar la eficiencia de los puntos calientes. Por ejemplo, el βFeSi2 con composición en gradiente es un material termoeléctrico prometedor que puede usarse para la conversión termoeléctrica entre 200 y 900 °C. βFeSi2 no es tóxico, tiene buena resistencia a la oxidación en el aire y tiene alta conductividad eléctrica y potencial termoeléctrico. Cuanto mayor sea el factor de calidad (Z=α2/kρ, donde Z es el factor de calidad, α es el coeficiente de Seebeck, k es la conductividad térmica y ρ es la resistividad del material) del material del punto caliente, mayor será la eficiencia de conversión termoeléctrica. . Los resultados muestran que las propiedades termoeléctricas del gradiente de composición β FeSIX (que contiene contenido variable de Si) preparado por SPS mejoran enormemente en comparación con βFeSi2. Tales ejemplos incluyen Cu/Al2O3/Cu [26], Mgfesi2 [27], β Zn4Sb3 [28], siliciuro de tungsteno []29], etc.
(2) Los materiales semiconductores tradicionales para refrigeración termoeléctrica no solo tienen poca resistencia y durabilidad, sino que también se preparan principalmente mediante métodos de crecimiento monofásico, que requieren largos ciclos de producción y altos costos. En los últimos años, para solucionar este problema, algunos fabricantes han adoptado métodos de sinterización para producir materiales de refrigeración semiconductores. Aunque se mejoran la resistencia mecánica y la utilización del material, el rendimiento termoeléctrico está lejos del de los semiconductores monocristalinos. Hoy en día, el SPS se utiliza para producir materiales semiconductores de refrigeración. Se puede preparar un material semiconductor completo en unos minutos, mientras que el crecimiento del cristal tarda más de diez horas. La ventaja de SPS para preparar materiales termoeléctricos semiconductores es que se pueden procesar directamente en láminas circulares, sin necesidad de cortarlos y procesarlos como el método de crecimiento unidireccional, lo que ahorra materiales y mejora la eficiencia de producción.
Las propiedades de los semiconductores sinterizados prensados en caliente y prensados en frío son inferiores a las de los preparados mediante métodos de crecimiento de cristales. Los principales componentes de los materiales semiconductores utilizados para la refrigeración termoeléctrica son Bi, Sb, Te y Se. El valor Z más alto actual es 3,0 × 10/K, y el valor Z de los semiconductores termoeléctricos preparados por SPS ha alcanzado 2,9 ~ 3,0 × 10/k, lo que es casi equivalente al rendimiento de los semiconductores de cristal único. La Tabla 2 es una comparación entre SPS y otros métodos de producción de materiales para morder. Cuando se sinteriza con SPS, las cerámicas ferroeléctricas de titanato de plomo se sinterizan a 900-1000°C durante 1-3 minutos, y el tamaño promedio de partícula después de la sinterización es, la cerámica se densifica rápidamente. SPS puede obtener fácilmente muestras con buena orientación de grano y se puede observar que las propiedades eléctricas de las cerámicas Bi4Ti3O12 con orientación de grano preferencial tienen una fuerte anisotropía.
Utilizando SPS para preparar Li ferroeléctrico en lugar de cerámicas semiconductoras de ZnO IIVI, la temperatura de transición de fase ferroeléctrica Tc se incrementa a 470 K, mientras que las cerámicas sinterizadas prensadas en frío anteriores eran solo 330 K [34].
Al utilizar SPS para sinterizar la aleación magnética Nd Fe B, se puede obtener una mayor densidad sinterizando a una temperatura más alta, pero una temperatura de sinterización demasiado alta provocará la aparición de la fase α y el crecimiento del grano, lo que dará como resultado propiedades magnéticas deficientes. Si se sinteriza a temperaturas más bajas, el polvo puede mantener buenas propiedades magnéticas pero no es completamente denso, por lo que es necesario estudiar en detalle la relación entre densidad y propiedades.
El material magnético sinterizado SPS tiene las ventajas de una baja temperatura de sinterización y un corto tiempo de retención. Nd-Fe-Co-V-B se sinterizó a 650 °C durante 5 minutos y se convirtió en un imán masivo casi completamente denso sin que se observara crecimiento de grano. El material compuesto 865 Fe 6 si 4 al 35 ni/mgfe 2 o 4 preparado por SPS (850℃, 130MPa) tiene una magnetización de alta saturación Bs=12T y una alta resistividad ρ= 1×10ω·m
Aunque la tira delgada de aleación magnética blanda preparada mediante el método de solidificación rápida alcanza una estructura de grano fino de decenas de nanómetros, no se puede preparar en un bloque de aleación y su aplicación es limitada. Las propiedades magnéticas de las aleaciones magnéticas en masa preparadas por SPS han alcanzado las propiedades magnéticas suaves de las tiras amorfas y nanocristalinas [3]. La preparación de nanomateriales densos ha atraído cada vez más atención. Al preparar nanomateriales mediante sinterización por prensado en caliente tradicional y sinterización por prensado isostático en caliente, es difícil garantizar que se obtengan granos nanocristalinos y una densidad completa al mismo tiempo. Con la tecnología SPS, el engrosamiento del grano se puede suprimir significativamente debido a la rápida velocidad de calentamiento y al corto tiempo de sinterización. Por ejemplo, utilizando SPS (1963K, 196 ~ 382 MPa, sinterización durante 5 minutos) para sinterizar polvo de estaño con un tamaño de partícula promedio de 5 μm, se puede obtener un cuerpo denso de TiN con un tamaño de partícula promedio de 65 nm. Algunos ejemplos citados en la literatura muestran que el crecimiento de granos en la sinterización SPS se suprime al máximo, el cuerpo sinterizado no tiene poros y los granos crecen significativamente.
Durante el proceso de sinterización SPS, aunque la presión aplicada es pequeña, además de la presión, la capacidad de activación Q también se reducirá y, debido al efecto de la descarga, el valor Q se reducirá aún más. , promoviendo así el crecimiento del grano. Por lo tanto, es difícil preparar nanomateriales mediante el método de sinterización SPS.
Pero, de hecho, ha habido ejemplos de preparación exitosa de entidades densas de estaño con un tamaño de partícula promedio de 65 nm. En la literatura, se prepararon materiales nanomagnéticos Fe90Zr7B3 de 20 ~ 30 nm utilizando polvo amorfo de sinterización SPS. Además, también se descubrió que los granos cambian lentamente con la temperatura de sinterización del SPS, por lo que es necesario estudiar más a fondo el mecanismo de los nanomateriales preparados por SPS y su impacto en el crecimiento del grano. En la preparación de aleaciones amorfas, la composición de la aleación debe seleccionarse para garantizar que la aleación tenga una velocidad de enfriamiento crítica muy baja para la formación amorfa, obteniendo así una capacidad de formación amorfa muy alta. En el proceso de preparación, existen principalmente métodos de fundición de metales y métodos de enfriamiento con agua. La clave es el enfriamiento rápido y el control de la nucleación desigual. Dado que la tecnología para preparar polvo de aleación amorfa es relativamente madura, las aleaciones amorfas a granel se han preparado durante muchos años mediante los métodos de extrusión en caliente, laminado en caliente, solidificación por impacto (explosión) y sinterización a presión isostática de polvo amorfo por debajo de su temperatura de cristalización. Sin embargo, existen muchos problemas técnicos, por ejemplo, la dureza del polvo amorfo es siempre mayor que la del polvo estático, por lo que el rendimiento del prensado es deficiente y el rendimiento integral es similar al de las tiras finas amorfas preparadas mediante enfriamiento por centrifugación. difícil de utilizar como material estructural de alta resistencia. Se puede ver que existen muchos problemas técnicos en la preparación de materiales amorfos a granel utilizando métodos de pulvimetalurgia ordinarios.
Se espera que SPS, como nueva generación de tecnología de sinterización, avance en este campo. El polvo amorfo a base de aluminio preparado mediante aleación mecánica se sinterizó con SPS para obtener una muestra de oblea grande (10 mm × 2 mm). La aleación amorfa magnética se preparó en condiciones de 375 MPa, 503 K y 20 min, y contenía fase amorfa, fase cristalina y fase de Sn residual. La temperatura de cristalización de su fase amorfa es 533 k mg 80 ni 10y5b 5. La aleación amorfa en masa se prepara bajo una corriente pulsada de 423 K y 500 MPa y es principalmente amorfa. La aleación de magnesio amorfo tiene un mayor potencial de corrosión y una menor densidad de corriente de corrosión que la aleación A291D y la amorfización del magnesio mejora la resistencia a la corrosión de la aleación de magnesio. En la práctica, las aleaciones amorfas en masa se pueden preparar mediante sinterización SPS. Por tanto, es necesario estudiar el uso de tecnología SPS avanzada para preparar aleaciones amorfas a granel.