Luyenkim.Net - Thiêu kết xung điện Plasma

Trang chủ

Thiêu kết xung điện Plasma - Spark Plasma Sintering (SPS)

(3 votes)

19/10/2007

Kỹ thuật Thiêu Kết Xung Điện Plasma (SPS), được miêu tả chi tiết hơn dưới đây, là một kỹ thuật tương đối với mới cho phép chuẩn bị mẫu vật liệu có mật độ (tỷ trọng) lý tưởng (full dense) tại nhiệt độ thiêu kết tuơng đối thấp và khoảng thời gian giữ nhiệt (holding time) ngắn hơn (tính theo đơn vị phút) so với các phuơng pháp thiêu kết truyền thống như thiêu kết không áp lực (pressureless), ép nóng (hot isostatic pressing-HIP) cần thời gian giữ nhiệt dài (hàng giờ) tại nhiệt độ cao.

Kỹ thuật thiêu kết xung diện plasma (SPS) cũng được gọi là công nghệ thiêu kết trường hỗ trợ - Field Assistant Sintering Technology (FAST), thiêu kết dòng điện xung - Puled Electric Current Sintering (PECS), và Kết khối hỗ trợ bởi xung điện - Electric Pulse Assisted Consolidation (EPAC) đã được phát triển đầu tiên vào những năm 1930 nhưng trong thời gian đó công nghệ chưa cho phép để có thể thương mại hóa công nghệ này. Vào những năm 1980 công nghệ này đã được phát triển xa hơn và nó đã bắt đầu đựoc sử dụng tại nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu đặc biệt tại Nhật Bản. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện plasma được biểu thị ở hình dưới đây:

Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Plasma

Bộ phận thiêu kết xung điện tuơng tự bộ phận của thiết bị ép nóng thông thường, nghĩa là bột được dưa vào khuôn ép áp lực cao và được ép đơn trục, áp lực ép có thể thay đổi trong quá trình thiêu kết. Ở thiết bị ép nóng, nhiệt được sinh bởi phần tử phát nhiệt, hệ quả là tốc độ nâng nhiệt bị giới hạn, và quá trình truyền nhiệt mất hàng giờ. Trong thiết bị thiêu kết xung điện plasma dòng điện xung một chiều được dẫn qua khuôn ép, thường được chế tạo bằng vật liệu dẫn nhiệt (thường là khuôn Graphit) và trong một số trường hợp thích hợp cũng có thể chạy qua mẫu. Điều này cho phép có được tốc độ nâng nhiệt nhanh (có thể tới 600K/phút). Quá trình thiêu kết thường được thực hiện trong buồng chân không có làm nguội bằng nước. Dòng điện một chiều đựoc phát sinh và duy trì bởi bộ tạo xung và các xung điện có khoảng thời gian sống là 3.3ms. Số lượng xung trong một đơn vị thời gian có thể thay đổi. Nhà sản xuất khuyến nghị nên sử dụng chuỗi xung là 12:2 nghĩa là 12 xung dòng một chiều chạy qua khuôn/mẫu tiếp theo quãng thời gian không có xung điện là 6.6ms.

Sử dụng áp lực ép đơn trục đến 500MPa hoặc cao hơn là có khả năng đối với các thiết bị SPS thường và cỡ lớn. Việc sử dụng áp lực ép cao hay thấp tùy thuộc tính chất độ bền cơ học của khuôn và sự sắp xếp khuôn ép. Áp lực ép cao hơn so với thiết bị ép nóng (thường khoảng 50-100MPa) do SPS có cấu hình khuôn đơn giản và việc thiết lập áp lực nhanh hơn khi nâng áp hay hạ áp.

Các lợi điểm của SPS là:

Tốc độ nâng/hạ nhiệt nhanh dẫn đến rút ngắn thời gian quá trình thiêu kết.
Có thể sử dụng áp lực ép cao hơn so với ép nóng thong thường dẫn đến mẫu thiêu kết có tỷ trong cao hơn tại thiệt độ thiêu kết thấp hơn.
Sự xuất hiện của dòng điện/trường cho thấy quá trình thiêu kết được tăng cường.
Nhiều vật liệu có thể được kết khối tại nhiệt độ thấp đáng kinh ngạc.

Bài viết được tham khảo từ luận văn ThS của tác giả Mirva Eriksson, 2007.

Nguyễn Hoàng Việt biên dịch và giới thiệu.