スパークプラズマ焼結（SPS）は、一軸圧力と高強度低電圧パルス電流を同時に印加する焼結技術である。
SPSのメカニズムは、真空生成、圧力印加、抵抗加熱、冷却の4つの主要段階に要約できる。
途中、粒子間の火花放電により局所的に高温状態が瞬間的に発生し、焼結緻密化が促進され、高品質な焼結体が形成されます。
SPSのメカニズムとは？(4つの主要段階を説明）
1.真空の形成
SPSの第一段階は、ガスを除去して真空にすることである。
この段階は、焼結材料内にガスが混入し、その完全性と特性が損なわれることを防ぐために非常に重要です。
大気を真空にすることで、その後の工程が制御されたクリーンな環境で行われるようになります。
2.圧力印加
第2段階では、圧力が加えられる。
この一軸圧力は、材料粒子の圧密化に役立つため、SPSプロセスの重要な要素である。
圧力は粒子間距離の減少を助け、焼結に不可欠な粒子間のネックの形成を促進する。
3.抵抗加熱
第3段階は抵抗加熱で、材料に直接電流を流して加熱する。
パルス状の直流電流が材料内にジュール熱を発生させ、急速かつ均一な加熱をもたらす。
この加熱メカニズムは、温度と加熱速度を正確に制御できるため、従来の炉加熱とは異なります。
また、高強度低電圧パルスは、粒子間の接触点で火花放電を発生させ、局所的な高温状態を生成して焼結プロセスを促進する。
4.冷却
最終段階は冷却で、焼結体は制御された条件下で冷却される。
この段階は、材料が急速に冷却された場合に起こりうる不要な相変態や割れを防ぐために重要である。
SPSプロセスには、粉末粒子間の放電によって発生する自己発熱効果や、バルク拡散と粒界拡散の強化など、いくつかのユニークな現象が関与していると考えられている。
これらの効果は、焼結緻密化プロセスの加速に寄与し、高品質な焼結体を低温かつ比較的短時間で製造することを可能にする。
SPSが広く使用されているにもかかわらず、焼結の中間プロセスを完全に理解し、プロセス中のプラズマと放電の役割を明らかにするための研究がまだ進行中である。
プラズマの存在が明確に証明されていないため、「スパークプラズマ焼結」という言葉自体にも異論がある。
とはいえ、SPSはさまざまな材料の焼結に利用できる貴重な技術であり、スピード、効率、焼結プロセスの制御といった点で利点があります。
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