放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用

江濤　陳燕　黃鵬　楊鴿　盧永潔　丁一明

摘要：放電等離子燒結(jié)技術(shù)由于燒結(jié)速度快，燒結(jié)效率高，可以實(shí)現(xiàn)快速成型工藝，所以放電等離子燒結(jié)技術(shù)在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。放電等離子燒結(jié)工藝可選擇的材料種類比較廣泛，適用面也比較廣泛。放電等離子燒結(jié)技術(shù)廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中。本文主要講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的研究和應(yīng)用，并對放電等離子燒結(jié)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。本文作者認(rèn)為應(yīng)該在本科學(xué)生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中安排采用放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。

關(guān)鍵詞：放電等離子燒結(jié)技術(shù) 材料科學(xué)與工程專業(yè) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究 應(yīng)用

一、前言

在材料科學(xué)與工程專業(yè)的本科教學(xué)工作中，學(xué)生在高年級就開始學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。其中在材料科學(xué)與工程專業(yè)課程教學(xué)中，在講述材料的制備工藝方法中講述過放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備和合成復(fù)合材料。放電等離子燒結(jié)技術(shù)是制備金屬基復(fù)合材料，金屬陶瓷復(fù)合材料，以及金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料的主要方法。放電等離子燒結(jié)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化，熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新型的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)技術(shù)可以制備金屬材料，復(fù)合材料，梯度功能材料等。放電等離子燒結(jié)工藝燒結(jié)速度快，燒結(jié)時間較短，燒結(jié)溫度高，可以制備完全致密的燒結(jié)塊材。放電等離子燒結(jié)工藝具有快速成型的優(yōu)點(diǎn)。采用放電等離子燒結(jié)工藝可以制備復(fù)合材料，包括金屬基復(fù)合材料，金屬陶瓷復(fù)合材料等。放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料由于具有可以達(dá)到凈近尺寸成形的優(yōu)勢，所以能夠廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中。在材料科學(xué)與工程專業(yè)的本科課程教學(xué)中，在材料加工工程和材料制備方法中都講述過放電等離子燒結(jié)技術(shù)。此外還可以將放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備復(fù)合材料作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)識和了解放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備復(fù)合材料的工藝過程。所以放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料在材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，并對放電等離子燒結(jié)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。

二、放電等離子燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用

放電等離子燒結(jié)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化，熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新型的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)具有在加壓過程中燒結(jié)的特點(diǎn)，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度。同時低電壓，高電流的特征，能使粉末快速燒結(jié)致密。放電等離子燒結(jié)是制備功能材料的全新技術(shù)，具有升溫速度快燒結(jié)時間短組織結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)可用來制備金屬材料，復(fù)合材料，可用來制備納米塊體材料，梯度材料等。放電等離子燒結(jié)工藝是利用通斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體，放電沖擊壓力，焦耳熱和電場擴(kuò)散作用。在放電等離子燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。放電等離子燒結(jié)是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。放電等離子燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電，導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。在放電等離子燒結(jié)技術(shù)中顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫可以使局部熔化表面物質(zhì)。放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，生產(chǎn)效率高產(chǎn)品組織細(xì)小均勻可以得到高致密度的材料，可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件。放電等離子燒結(jié)技術(shù)裝置操作簡單，但是需要放電等離子燒結(jié)爐。采用放電等離子燒結(jié)工藝制備新材料主要集中在金屬陶瓷，金屬間化合物，復(fù)合材料和功能材料等方面。其中功能材料包括熱電材料，功能梯度材料等。放電等離子燒結(jié)工藝可以制備復(fù)合材料等。

三、放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用

放電等離子燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)速度快燒結(jié)時間短，燒結(jié)效率高，可以實(shí)現(xiàn)快速成型工藝，所以放電等離子燒結(jié)技術(shù)主要用于制備金屬陶瓷，金屬間化合物，金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，梯度功能材料，功能材料等。在材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過放電等離子燒結(jié)工藝。放電等離子燒結(jié)工藝同粉末冶金技術(shù)和液相燒結(jié)技術(shù)一樣都是材料的制備工藝技術(shù)。放電等離子燒結(jié)工藝同樣是熱加工工藝，放電等離子燒結(jié)工藝是利用熱等離子體在高溫高壓條件下使粉末壓坯通過加熱加壓并保溫一段時間進(jìn)行燒結(jié)制備致密的燒結(jié)塊材。放電等離子燒結(jié)工藝是通過熱等離子體高溫高熱加壓燒結(jié)制備燒結(jié)制品的過程。在材料科學(xué)與工程專業(yè)課程的課堂教學(xué)中，有些專業(yè)課程中對放電等離子燒結(jié)工藝只是作為了解，對于放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的具體內(nèi)容和制備工藝步驟的研究和應(yīng)用了解很少。所以就需要在材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)課程中增加關(guān)于放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。通過放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)踐教學(xué)活動可以使學(xué)生認(rèn)識和了解到放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的原理，制備工藝過程以及對經(jīng)過放電等離子燒結(jié)工藝后得到復(fù)合材料制品的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，使學(xué)生通過對材料的制備與研究過程可以加深學(xué)生對材料科學(xué)與工程專業(yè)課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識和了解。對于本科學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐課程，可以在本科學(xué)生的本科專業(yè)課程設(shè)計和本科畢業(yè)設(shè)計過程中安排放電等離子燒結(jié)工藝制備金屬基復(fù)合材料和金屬陶瓷復(fù)合材料的教學(xué)內(nèi)容。例如采用放電等離子燒結(jié)工藝可以制備金屬陶瓷復(fù)合材料，先將金屬陶瓷復(fù)合粉末裝入到模具中，并通過放電等離子燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料。采用放電等離子燒結(jié)工藝可以制備金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料，通常先將金屬間化合物/陶瓷復(fù)合粉末裝入模具中并通過放電等離子燒結(jié)工藝制備金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料。有時通過放電等離子燒結(jié)工藝制備致密的復(fù)合材料塊材。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程使學(xué)生認(rèn)識和了解到放電等離子燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料的制備工藝過程，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識和了解。使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)認(rèn)識和了解了放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過程，以及對得到燒結(jié)制品的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和測試。endprint

放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，可以得到高致密度的材料。放電等離子燒結(jié)工藝可選擇的材料種類比較廣泛，適用面也比較廣泛。放電等離子燒結(jié)技術(shù)操作過程比較簡單，但對設(shè)備要求較高，只需要放電等離子燒結(jié)爐，可以進(jìn)行現(xiàn)場操作，因此可以作為本科學(xué)生的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可作為材料科學(xué)與工程專業(yè)課程的輔助教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以作為本科專業(yè)課程設(shè)計和本科畢業(yè)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。使學(xué)生通過實(shí)踐教學(xué)過程來加深對材料科學(xué)與工程專業(yè)課程的認(rèn)識和掌握。使學(xué)生認(rèn)識到金屬基復(fù)合材料的制備過程以及金屬陶瓷復(fù)合材料的制備過程等，并使得學(xué)生對放電等離子燒結(jié)工藝得到的燒結(jié)制品進(jìn)行分析和測試，使學(xué)生對材料的分析和檢測水平有較大的提高。對于拓展學(xué)生的知識面有很大的幫助。為本科學(xué)生以后的本科專業(yè)課程設(shè)計和本科畢業(yè)設(shè)計打下堅實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

四、放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和應(yīng)用

放電等離子燒結(jié)技術(shù)是低溫短時的快速燒結(jié)法，可用來制備金屬材料，金屬陶瓷材料，納米材料，復(fù)合材料等。放電等離子燒結(jié)工藝可選擇的材料種類比較廣泛適用面也比較廣泛。放電等離子燒結(jié)技術(shù)需要增加設(shè)備多功能性和脈沖電流容量以便做尺寸更大產(chǎn)品；特別需要發(fā)展全自動化的放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜形狀高性能產(chǎn)品和梯度功能材料的生產(chǎn)需要。需要發(fā)展適合放電等離子燒結(jié)技術(shù)的粉末材料，需要研制新型模具材料。在工藝方面需要更好的控制產(chǎn)品質(zhì)量。放電等離子燒結(jié)技術(shù)的推廣應(yīng)用將在新材料的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。由于放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，所以應(yīng)該在材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安排采用放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。

五、結(jié)論

放電等離子燒結(jié)技術(shù)由于燒結(jié)速度快，燒結(jié)效率高，可以實(shí)現(xiàn)快速成型工藝，所以放電等離子燒結(jié)技術(shù)在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。放電等離子燒結(jié)工藝可選擇的材料種類比較廣泛，適用面也比較廣泛。放電等離子燒結(jié)技術(shù)廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中。本文主要講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并講述放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，并對放電等離子燒結(jié)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。作者認(rèn)為應(yīng)該在材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安排采用放電等離子燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。endprint