真空包裝機-粉末冶金技術與新材料

粉末冶金是冶金學的一個分支。其領磁力棒域包括：①制取金屬粉末；②金屬粉末或金屬粉末和非金屬粉末的混合物，經成形和燒結，制成各種金屬和金屬-非金屬的材料和制品。

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉 末的混合物)作爲原料，經過成形和燒結，制取金屬材料、複合材料以及各種類型制品的工業技術。粉末冶金技術具備顯著節能、省材、性能優異、産品精度高且穩 定性好等一系列優點，非常適合于大批量生産。由于粉末冶金技術的優點，它已成爲解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發展中起著舉足輕重的作用。

目前，粉末冶金技術已被廣泛應用于交通、機械、電子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工業等領域，成爲新材料科學中最具發展活力的分支之一。

發展曆程

制造和利用金屬粉末，經曆了很長的時間。早期是用機械粉碎法制得金、銀、銅和青銅的粉末，多用作陶器等器具的裝飾塗料。18世紀下半葉和19世紀上半葉， 俄、英、西班牙等國曾以工場規模制取海綿鉑粒，經過熱壓、鍛和模壓、燒結等工藝制造錢幣和貴重器物。1909年美國庫利吉(W。D。Coolidge)發 明用粉末冶金方法制造燈泡用鎢絲，奠定了現代粉末冶金的基礎。此後20年間，用粉末冶金方法制造了鎢、钼制品，硬質合金，青銅含油軸承，多孔過濾器，集電 刷等，逐步形成了整套粉末冶金技術。30年代旋渦研磨鐵粉和碳還原鐵粉問世以後，用粉末冶金法制造鐵基機械零件獲得了很快的發展。第二次世界大戰後粉末冶 金技術發展迅速，新的生産工藝和技術裝備、新的材料和制品不斷出現，開拓出一些能制造特殊材料的領域，成爲現代工業中重要的組成部分。

在粉末冶金材料生産中，鐵基材料在産量上占絕大多數，其次爲銅基材料、硬質合金和難熔金屬。近20年來，對高性能的合金鋼、鋁和钛基粉末冶金材料的開發十分重視。

基本工藝

包括粉末的制取、成形和燒結等。但是，由于産品很多，工藝過程也有所不同。粉末制取方法可歸納爲機械法和物理化學法兩類。具體方法有機械粉碎法、還原法、霧化法、電解法、氣相沈積法鉚釘機、液相沈積法、還原-化合法等。其中應用廣泛的是還原法、霧化法和電解法等（見鐵粉）。常用的模壓成形技術已日趨機磁鐵械 化，自動化；熱成形（包括熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱鍛、電火花燒結等）是把燒結和壓制工序合並進行，使材料的致密程度和性能都顯著提高（見粉末冶金成 形）。燒結是在高溫下粉末顆粒之間物質發生遷移的複雜過程，其結果導致金屬顆粒間結合的加強和粉末燒結體的進一步致密化。燒結分爲固相燒結和液相燒結（見 粉末冶金燒結）。燒結或熱成形後的坯材和制品視需要可進行各種冷變形加工、熱塑性加工、機械加工和熱處理等。

粉末在成形前往往需要預處理，預處理主要包括分級、去除雜質、退火、配料（加入他種金屬粉末或非金屬粉末和添加劑）、混合等。原料粉末的性能對粉末冶金材料的性能影響很大，因此從質量和經濟上考慮，都應重視原料粉末的選擇和粉末的預處理。

技術和經濟特點

①能夠生産用熔鑄方法不能或難以生産的特殊性能和高性能的材料。例如多孔材料是有意識地控制和利用粉末冶金制品的多孔性能；假合金、金屬和非金屬複合材 料、金屬和難熔金屬化合物複合材料、粉末和纖維複合材料等是利用粉末冶金的靈活配料工藝（見多孔材料，減摩材料，摩擦材料，粉末冶金電工材料，粉末冶金磁 性材料，粉末印刷廠冶金彌散強化合金，粉末冶金難溶金屬材料，硬質輸送機合金；金屬陶瓷）；粉末冶金合金鋼和粉末冶金高溫合金是利用霧化粉無宏觀鑄態偏析而且晶粒和第二相細小均勻的特點。②金屬損耗小。能夠將原料粉末直接制成成品或接近成品的最終形狀和尺寸的制品，因而不需要或只需要很少的切削加工；工藝流程短，設備投資磁選機少。所以適用于大批量生産各種承受中等以下負載的機械零件。

理論進展

隨著粉末冶金技術的發展，闡明粉末壓制過程和燒結過程的本質及其基本規律的理論研究也取得進展。粉末冶金壓制理論是探索壓制過程中顆粒移動和變形的規律， 描述壓坯密度和壓制壓力之間的關系。粉末冶金燒結理論是探討燒結過程中物質遷移和孔隙變化的機理，描述燒結體密度和燒結參數之間的關系。此外，在粉末冶金 工藝技術的帶動下，出現了一系列與之相配合的測試技術，主要是粉末的物理、化學性能的測定，孔隙大小、數量和形態的測量，多孔體（包括近于致密的燒結體） 物理、力學性能的測定等。70年代，粉末冶金已基本形成了一個既有理論，又有工藝技術、檢測方法，以及許多專用儀器設備的科學技術領域。

粉末冶金研究設備—放電等離子燒結系統（SPS）介紹

隨著高新技術産業的發展，新型材料特別是新型功能材料的種類和需求量不斷增加，材料新的功能呼喚新的制備技術。

放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）是制備功能材料的一種全新技術，它具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節能環保等鮮明特點，可用來制備金屬材 料、陶瓷材料、複合材料，也可用來制備納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。

SPS在材料制備中的應用

1 功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）的成分是梯度變化的，各層的燒結溫度不同，利用傳統的燒結方法難以一次燒成。利用CVD、PVD等方法制備梯度材料，成本很高，也 很難實現工業化。采用階梯狀的石磨模具，由于模具上、下兩端的電流密度不同，因此可以産生溫度梯度。利用SPS在石磨模具中産生的梯度溫度場，只需要幾分 鍾就可以燒結好成分配比不同的梯度材料。目前SPS成功制備的梯度材料有：不鏽鋼/ZrO2；Ni/ZrO2；Al/高聚物；Al/植物纖維；PSZ/T 等梯度材料。

在自蔓延燃燒合成（SHS）中，電場具有較大激活效應和作用，特別是場激活效應可以使以前不能合成的材料也能成功合成，擴大了成分範圍，並能控制相的成 分，不過得到的是多孔材料，還需要進一步加工提高致密度。利用類似于SHS電場激活作用的SPS技術，對陶瓷、複合材料和梯度材料的合成和致密化同時進 行，可得到65nm的納米晶，比SHS少了一道致密化工序。利用SPS可制備大尺寸的FGM，目前SPS制備的尺寸較大的FGM體系是ZrO2(3Y)/ 不鏽鋼圓盤，尺寸已達到100mm×17mm。

用普通燒結和熱壓WC粉末時必須加入添加劑，而SPS使燒結純WC成爲可能。用SPS制備的WC/Mo梯度材料的維氏硬度（HV）和斷裂韌度分別達到了24Gpa和6Mpa·m1/2，大大減輕由于WC和Mo的熱膨脹不匹配而導致熱應力引起的開。

2 熱電材料

由于熱點轉換的高可靠性、無汙染等特點，最近熱電轉換器引起了人們的極大興趣，並研究了許多熱電轉換材料。經文獻檢索發現，在SPS制備功能材料的研究中，對熱電材料的研究較多。

(1)熱電材料的成分梯真空包裝機度化氏目前提高熱點效率的有效途徑之 一。例如，成分梯度的βFeSi2就是一種比較有前途的熱電材料，可用于200～900℃之間進行熱電轉換。βFeSi2沒有毒性，在空氣中有很好的抗氧 化性，並且有較高的電導率和熱電功率。熱點材料的品質因數越高（Z=α2/kρ，其中Z是品質因數，α爲Seebeck系數，k爲熱導系數，ρ爲材料的電 阻率），其熱電轉換效率也越高。試驗表明，采用SPS制備的成分梯度的βFeSix(Si含量可變)，比βFeSi2的熱電性能大爲提高。這方面的例子還 有Cu/Al2O3/Cu，MgFeSi2， βZn4Sb3，鎢矽化物等。

(2)用于熱電制冷的傳統半導體材料不僅強度和耐久性差，而且主要采用單相生長法制備，生産周期長、成本高。近年來有些廠家爲了解決這個問題，采用燒結法 生産半導體致冷材料，雖改善了機械強度和提高了材料使用率，但是熱電性能遠遠達不到單晶半導體的性能，現在采用SPS生産半導體致冷材料，在幾分鍾內就可 制備出完整的半導體材料，而晶體生長卻要十幾個小時。SPS制備半導體熱電材料的優點是，可直接加工成圓片，不需要單向生長法那樣的切割加工，節約了材 料，提高了生産效率。

熱壓和冷壓-燒結的半導體性能低于晶體生長法制備的性能。現用于熱電致冷的半導體材料的主要成分是Bi，Sb，Te和Se，目前最高的Z值爲3。 0×10/K，而用SPS制備的熱電半導體的Z值已達到2。9～3。0×10/K，幾乎等于單晶半導體的性能。表2是SPS和其他方法生産BiTe材料的 比較。