放電等離子燒結(jié)工藝對不導(dǎo)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(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室(燕山大學(xué)),秦皇島,066004

2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)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(jié)(SPS)試驗數(shù)據(jù),研究了不導(dǎo)電材料燒結(jié)過程中燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻的變化規(guī)律。結(jié)果表明:燒結(jié)溫度與燒結(jié)粉體高度是影響燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻的兩大因素，在燒結(jié)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(dāng)粉體燒結(jié)致密后，如果燒結(jié)溫度繼續(xù)升高，則電阻逐漸增大。根據(jù)燒結(jié)試驗結(jié)果，得到了總電阻隨燒結(jié)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(shù)據(jù)對所擬合公式進(jìn)行了驗證，證明了該公式對不導(dǎo)電材料在SPS燒結(jié)過程中燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻變化規(guī)律的適用性。

關(guān)鍵詞:Si3N4;納米陶瓷;不導(dǎo)電材料;放電等離子燒結(jié);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(xué)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為精密成形工藝及仿真技術(shù)、難變形材料塑性加工技術(shù)。發(fā)表論文80余篇。劉永康，男,1989年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。申江龍,男,1988年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。張春祥，男，1980年生。燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)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(jié)(spark plasma sintering,

SPS)技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種制備新材料的高新技術(shù),由于其具有升溫速率快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等多種鮮明的特點,因此近年來得到了廣泛的發(fā)展和重視[1-2]。

隨著SPS燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)步,燒結(jié)材料的種類越來越多，燒結(jié)的樣品尺寸越來越大，形狀也日趨復(fù)雜,與SPS燒結(jié)過程相關(guān)的基礎(chǔ)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(jié)過程進(jìn)行了熱、電、力三場耦合模擬分析，模擬出了燒結(jié)過程中燒結(jié)核心部位溫度場、應(yīng)力場和電場的分布規(guī)律，并直觀地描述了燒結(jié)過程中影響材料燒結(jié)質(zhì)量的因素,給實際燒結(jié)工藝參數(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)提供了良好的理論基礎(chǔ)[3-5]。

SPS燒結(jié)具有低電壓大電流的特性,燒結(jié)系統(tǒng)的整體電阻是影響燒結(jié)系統(tǒng)發(fā)熱的重要因素[6],燒結(jié)過程中隨著粉末的致密化，燒結(jié)系統(tǒng)的整體電阻是實時變化的，然而目前還少見對SPS燒結(jié)過程中整體電阻變化規(guī)律研究的文獻(xiàn)報道，一般在進(jìn)行模擬和計算時都假設(shè)其為常值,這嚴(yán)重影響了模擬和計算的準(zhǔn)確性。由于導(dǎo)電材料與不導(dǎo)電材料在燒結(jié)機(jī)理方面存在很大的差異，故整體電阻變化對其燒結(jié)行為的影響也有很大不同,對導(dǎo)電材料來說,放電等離子的產(chǎn)生對燒結(jié)產(chǎn)生重要影響,而對非導(dǎo)電材料來說，燒結(jié)系統(tǒng)核心部位在電學(xué)方面表現(xiàn)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(jié)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,研究不導(dǎo)電材料燒結(jié)過程中燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻的變化規(guī)律。

1Si3N4納米陶瓷燒結(jié)試驗

1.1燒結(jié)工藝及設(shè)備

首先，將Si3N4、AlN、Y2O3和Al2O3以質(zhì)量比72∶14∶4∶10的比例混合,其次以無水乙醇為介質(zhì),采用氧化鋁磨罐和磨球在QM-ISP2L行星式球磨機(jī)中球磨24h,轉(zhuǎn)數(shù)為200r/min,然后將漿體在小型煅燒爐中進(jìn)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(jìn)行人工研磨,得到燒結(jié)試驗用粉體材料[8-9]。

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

燒結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,燒結(jié)模具為國產(chǎn)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(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)徑2040

1.2試驗燒結(jié)數(shù)據(jù)

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

圖2　不同燒結(jié)條件下電壓隨溫度的變化曲線

圖3　不同燒結(jié)條件下電流隨溫度的變化曲線

圖4　不同燒結(jié)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(jié)過程中燒結(jié)系統(tǒng)的電阻值很小(不到0.01Ω),這完全體現(xiàn)了SPS低電壓大電流燒結(jié)的特點；燒結(jié)系統(tǒng)的電阻值隨燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢，這主要是由兩方面原因?qū)е碌?一是因為石墨的電阻率隨溫度的升高而降低，二是在燒結(jié)過程中，隨著溫度的升高，燒結(jié)粉體開始致密，粉體高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化,粉體初始高度越高則電阻值就越大。

在燒結(jié)粉體之前,對粉體進(jìn)行預(yù)壓,使粉體在常溫下從松散的狀態(tài)變?yōu)閴簩嵉臓顟B(tài)，加載的壓力為5MPa,粉體經(jīng)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(jié)溫度下，測量得到的粉體初始高度與燒結(jié)后高度之間的關(guān)系如表2所示。

表2　粉體初始高度與粉體燒結(jié)后高度之間的關(guān)系

2燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻公式推導(dǎo)

從圖4可以看出燒結(jié)系統(tǒng)電阻變化呈二次曲線變化規(guī)律，在模具尺寸一定的情況下，燒結(jié)系統(tǒng)的電阻是燒結(jié)溫度與燒結(jié)粉體初始高度的函數(shù)，假設(shè)燒結(jié)系統(tǒng)的整體電阻與燒結(jié)溫度之間存在如下關(guān)系：

(1)

式中,R為燒結(jié)系統(tǒng)電阻;a、b、c為與粉體初始高度相關(guān)參數(shù)。

經(jīng)過對圖4中的曲線進(jìn)行擬合,可以得到在不同的燒結(jié)溫度下,不同的粉體初始高度所對應(yīng)的系數(shù)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(shù)與粉體初始高度h之間基本滿足二次函數(shù)的關(guān)系,用二次曲線對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到如下關(guān)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(jié)主要分為兩類:一類是導(dǎo)電材料，一類是不導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料的燒結(jié)要比不導(dǎo)電材料的燒結(jié)過程復(fù)雜[10],不導(dǎo)電材料在燒結(jié)過程中熱源主要來自于石墨模具產(chǎn)生的焦耳熱,粉體本身不產(chǎn)生熱,因此在相同模具尺寸下燒結(jié)不導(dǎo)電材料的過程中，不導(dǎo)電材料的種類對燒結(jié)系統(tǒng)電阻基本沒有影響，燒結(jié)系統(tǒng)電阻只跟燒結(jié)粉體的高度與燒結(jié)溫度有關(guān)，上述公式對不導(dǎo)電材料是通用的。本文以SiC粉體放電燒結(jié)為例,對式(1)的通用性進(jìn)行驗證,燒結(jié)試驗條件與1.1節(jié)Si3N4陶瓷的基本相同,SiC粉體的燒結(jié)溫度為1900℃,燒結(jié)初始高度為3mm,燒結(jié)后高度為1.2mm。燒結(jié)電壓、電流與模具中心點溫度值之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5　SiC燒結(jié)電壓隨溫度的變化曲線

圖6　SiC燒結(jié)電流隨溫度的變化曲線

圖7所示為采用式(1)計算的燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻和試驗得到的SiC陶瓷放電燒結(jié)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(jié)整體電阻的計算 結(jié)果和試驗結(jié)果比較

4結(jié)論

(1)對于不導(dǎo)電材料,燒結(jié)溫度與燒結(jié)粉體高度是影響放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)整體電阻的兩大因素,在燒結(jié)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(dāng)粉體燒結(jié)致密后，如果燒結(jié)溫度繼續(xù)升高,則電阻逐漸增大。

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

參考文獻(xiàn):

[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(jié)溫度場的熱電耦合分析[J].粉體冶金材料科學(xué)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)