脉冲电流烧结机理的研究进展

脉冲电流烧结（Ｐｕｌｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＰＥＣＳ）是材料科学领域开发出的一种新型快速烧结技术，已广泛应用于金属与合金、结构陶瓷、氧化物超导体、复合材料、热电材料、高分子材料以及功能梯度材料的制备．本文简介脉冲电流烧结特征，结合ＰＥＣＳ烧结条件对铜粉末和氧化铝粉体致密化及显微结构影响的实验证据，就脉冲电流烧结过程和机理进行探讨．

脉冲频率对铁基粉末脉冲电流烧结过程的影响

采用脉冲频率为0、50和100 Hz的电流对高能球磨铁基粉末进行脉冲电流烧结,并研究脉冲频率对粉末的致密化行为、烧结材料的显微组织和力学性能的影响。结果表明,通电烧结初期脉冲电流烧结样品的密度和硬度均高于直流电流烧结的试样,但通电烧结后期使用脉冲电流与直流电流所烧结样品的密度和硬度差别不大;相同烧结温度下不同脉冲频率烧结试样的横向断裂强度的相对大小为5σ0 Hz>1σ00 Hz>0σHz;当烧结温度为1 100℃时,不同脉冲频率下所获得的烧结材料的显微组织没有显著差别。

SiCp/Fe复合材料电流烧结工艺及性能研究

研究了一种电流加热动态热压烧结工艺,并研制了相应的设备.采用此工艺对颗粒增强铁基复合材料进行了制备研究.比较了普通粉末冶金和此工艺所制备的S iCp/Fe复合材料的性能以及此工艺中模具的不同对材料性能的影响,结合显微组织观察对此工艺的烧结机理进行了讨论.结果表明:采用陶瓷模具进行电流动态热压烧结,对材料性能提高显著,能在短时间内制备出满足实际应用要求的铁基复合材料,材料组织细小均匀.

模具的热电属性对电流烧结温度场的影响

建立了电流烧结温度场的有限元模型,通过有限元模型对电流烧结过程中的粉末体、模冲及阴模的温度分布进行了数值模拟。结果表明,模具的热电属性对电流烧结温度场的影响较大。在相同的烧结工艺条件下,与采用传统的石墨材料相比,采用高电阻、低热导率的陶瓷材料可显著提高粉末体的升温速率和最终烧结温度,但同时也带来了较大的温度梯度。进行了纯钛粉电流烧结试验,试验结果与有限元分析一致,验证了采用有限元分析的可行性。

脉冲电流烧结的现状与展望

脉冲电流烧结 (PulseElectricCurrentSintering ,PECS)技术是近十年发展起来的一种新型特殊的快速烧结技术。它具有升温速度快、烧结时间短、有利于控制烧结体的细微结构等特点。近几年来在纳米材料、复合材料等的制备中显示了极大的优越性 ,得到了材料学界和产业界的瞩目。本文介绍了脉冲电流烧结的特征和研究现状 。

电流烧结制备WC-6Co-1.5Al硬质合金

研究了WC-6Co-1.5Al硬质合金球磨粉末的电流烧结工艺对合金性能的影响。结果表明:在脉冲电流基值、峰值、频率和占空比分别为360 A,3 000 A,50 Hz和50%时,在恒流电流为1 500 A,总烧结时间为6 min,烧结压力为30 MPa的工艺参数下,采用1 min脉冲+5 min恒流电流烧结工艺,WC平均晶粒尺寸约为500 nm,合金的密度、硬度和抗弯强度分别达到最大值14.22 g/cm3,94 HRA和1 660 MPa;与1 min脉冲+5 min恒流烧结工艺相比,采用单一的恒流电流烧结,通过增大恒流强度可进一步提高最大烧结密度,但同时合金的硬度和横向断裂强度均相对降低。

脉冲电流烧结技术的研究进展

脉冲电流烧结（Ｐｕｌｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＰＥＣＳ）是材料科学领域开发出的一种新型快速烧结技术，已广泛应用于金属与合金、结构陶瓷、氧化物超时体、复合材料、热电材料、离电材料、高分子材料以及功能梯度材料的制备；检验结果，对脉冲电流烧结非导电性粉体的烧结过程和机理，提出自己的观点。

脉冲电流烧结机理研究

脉冲电流烧结(Pulse electric current sintering,PECS)是材料科学领域开发出的一种新型快速烧结技术,已广泛应用于金属与合金、结构陶瓷、氧化物超导体、复合材料、热电材料、高分子材料以及功能梯度材料的制备.本文在介绍脉冲电流烧结装置与研究进展的基础上,研究PECS烧结条件对氧化铝粉末致密化及显微结构的影响,以探讨脉冲电流烧结机理.

脉冲电流烧结AlOOH的非均匀性

采用相变方法系统研究了脉冲电流烧结AlOOH样品不同截面处相的状态.结果发现（1）样品上表面与下表面具有不同的相,表明样品中温度由高至低逐渐变化,（2）样品上表面较次上表面衍射峰弱.通过微波等离子轰击及热压烧结的实验模拟,发现样品上表面的XRD图与微波等离子轰击同样样品产生的XRD图极为相似.说明上表面的衍射峰与被离子轰击产生晶格缺陷有关.对形成这种上下表面结构不均匀性的原因进行了分析,并给子适当解释.

脉冲电流烧结Al_2O_3颗粒的广义热弹性分析

脉冲电流烧结过程的颈部形成机理,特别是非导电粉末材料,是需要着重研究的核心问题。以非导电Al_2O_3粉末为研究对象,引入L-S(Lord and Shulman)型广义热弹性方程,初步探究烧结初期非导电粉末颈部局部高温形成以及快速烧结机理。利用Comsol Multiphysics模拟得到脉冲电流烧结过程中颗粒内部的温度场和应力场分布以及烧结颈部的化学势和空位浓度变化规律。数值结果表明,热以波的形式在烧结颈部产生叠加,形成局部高温。化学势变化表明:烧结初期表面扩散占主要作用,空位浓度差的突变使烧结颈部产生局部空位浓度梯度,促进烧结颈长过程,缩短烧结时间。

热力耦合作用下脉冲电流烧结初期驱动力研究

采用L–S型广义热弹性理论,建立了氧化铝粉末非等径三颗粒模型,探究脉冲电流烧结过程的热力耦合传播规律和烧结驱动力。结果表明,三颗粒系统中小颗粒的温度明显高于大颗粒,在颈部形成高温度梯度,由温度梯度形成的热扩散通量与空位扩散通量共同为脉冲电流烧结初期颈部物质迁移提供驱动力;随着烧结过程的进行,热扩散对烧结驱动力的影响越大;三颗粒系统的计算值小于两颗粒系统,这是由于两颗粒系统产生的热耗散较小。

脉冲电流烧结掺杂Ba_(0.5)Sr_(0.5)TiO_3陶瓷介电性能的研究

以硝酸钡、硝酸锶、钛酸四丁脂、硝酸铜、硝酸镧以及氨水为原料,利用柠檬酸-硝酸盐燃烧法制备了Ba0.5Sr0.5TiO3(BST)、1mol％Cu2+掺杂BST、1mol％La3+掺杂BST,以及0.5mol％Cu2+和0.5mol％La3+共掺杂BST粉末.利用脉冲电流(简称PECS)烧结设备烧结所制备的粉体,结果发现掺杂可以大大改善BST陶瓷晶粒大小的均匀性.介电性能测试结果表明1mol％Cu2+掺杂不仅降低了BST的介电损耗,同时也降低了介电常数,而1mol％La3+掺杂,以及0.5mol％Cu2+和0.5mol％La3+共掺杂降低了BST的介电损耗,但在25℃附近介电常数升高.

电流烧结制备W-4Ni-2Co-1Fe合金

对W-4Ni-2Co-1Fe高能球磨粉末,分别采用脉冲电流烧结+恒流电流烧结和恒流电流烧结两种工艺进行制备,研究电流烧结工艺对W-4Ni-2Co-1Fe合金性能的影响。结果表明:在脉冲电流基值、峰值、频率和占空比分别为360 A、3 000 A、50 Hz和50%,以及恒流电流为1.5 kA、总烧结时间为6 min、烧结压力为30 MPa的条件下,采用2 min脉冲+4 min恒流电流烧结工艺,合金的密度、硬度和抗弯强度分别达到最大值16.79 g/cm3、HRA84和484 MPa;与此烧结工艺相比,采用单一的恒流电流烧结时,通过增大恒流强度可进一步提高烧结密度,但同时合金的硬度和横向断裂强度均相对降低。

脉冲电流烧结技术及其在氮化铝透明陶瓷烧结中的应用

脉冲电流烧结(Pulse electric current sintering，PECS)是近十年发展起来的一种特殊的快速烧结技术。介绍了脉冲电流烧结的特征、研究现状及其在氮化铝透明陶瓷烧结中的应用。

基于银焊膏电流烧结的航天功率分立器件气密封装

由于传统气密封装方法在封装的过程中会给电子器件带来不利的影响,本文基于银焊膏电流烧结快速互连技术,提出了一种新型的气密封装方法,可用于航天功率分立器件的密封。本文研究了通电过程中接头温度、微观形貌以及剪切强度的变化。在银焊膏电流烧结的过程中,随着有机物的去除,烧结银层升温速率急剧下降,并且最初被有机物分离的银颗粒逐渐相互接触。随着通电时间延长,烧结银接头越来越致密,伴随着接头强度的不断提高。最终获得的烧结银密封接头可以满足封装器件对气密性的要求。

孕镶金刚石复合材料用纳米级胎体粉末的脉冲电流烧结试验

为降低孕镶金刚石复合材料的烧结温度,采用脉冲电流烧结法,对纳米Cu粉末、纳米WC-12%Co粉末及常规的63# 配方胎体进行了烧结实验。结果表明,纳米Cu粉在700℃可实现致密化,纳米WC-12%Co粉末、63#配方胎体可分别在1 100℃、850℃实现致密化,均大大低于常规烧结方法的烧结温度,还起到保护金刚石、降低能耗、增加石墨模具寿命的作用。

机械合金化非晶钛合金的脉冲电流烧结

一般来说,通过机械合金化(MA)获得的Ti-37.5at%Si粉末硬度很高,故难以制得致密的制品.但是,在MA制备的Ti-10at%Si中,人们已经发现了非晶相的存在,然而,由于Ti-10at%Si的结晶温度很低,它也难以制得致密的制品.另一方面,在Ti-37.5at%Si粉末中添加Fe可提高MA粉末的结晶温度.

电流辅助烧结Cu原子扩散激活能影响机理第一性原理计算与实验研究

从第一性原理计算与电流辅助烧结两方面出发,研究了外加电场对晶体Cu扩散激活能的影响规律。结果表明,外加电场和电流使Cu空位产生的难度降低,但是原子迁移能几乎不变,导致扩散激活能在达到电场强度(电流密度)阈值(2 V·Å^(‒1)(307.1 A·cm^(‒2)))后略有下降,超过阈值后会剧烈下降,最终在电场强度(电流密度)达到5 V·Å^(‒1)(708.5 A·cm^(‒2))后,由于空位形成能逐渐下降到0,扩散激活能下降至临界值,扩散激活能临界值相比于阈值对应的扩散激活能降低了约60.2%。研究结果揭示扩散激活能在电场或电流作用下呈现出明显规律性的下降趋势,实验结果与第一性原理计算模拟结果呈现较好的正相关性。

脉冲电流快速烧结纳米铜焊膏连接铜镍基板研究

利用液相法合成均径为57.5 nm的纳米铜颗粒,并对纳米铜颗粒进行系统的表征,包括有扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)以及热重分析(Thermal gravity analysis,TGA)和差热分析(Differential thermal analysis,DTA),并利用超声手段将纳米铜颗粒均匀分散在水溶液中,从而得到了纳米铜焊膏。采取模板印刷的方法制备镍/纳米铜焊膏/铜的三明治结构,并研究不同脉冲电流烧结工艺下的三明治结构的剪切强度、截面微结构以及断口微结构特征。试验结果表明三明治结构的剪切强度随着电流的增加而增大,在电流为0.8 k A时,剪切强度可达到46.3 MPa,脉冲电流烧结纳米铜焊膏连接铜和镍基板在短时间(小于200 ms)内快速获得了高致密度、性能优良的焊点结构,同时纳米铜颗粒之间以及纳米铜颗粒与微米级的铜基板和镍基板之间实现了牢固的冶金连接。通过分析经脉冲电流烧结后得到的纳米铜焊膏内部的显微组织特征,提出了脉冲电流烧结纳米铜焊膏的烧结机理。