스파크 플라즈마 소결(SPS)은 펄스 전류를 사용하여 분말 재료를 가열하고 치밀화하는 고속 소결 기술입니다.
이 공정에는 플라즈마 가열, 소결, 냉각의 세 가지 주요 단계가 포함됩니다.
SPS는 기존 소결 방식에 비해 처리 시간이 빠르고 가열 속도가 높으며 미세 구조와 특성을 제어할 수 있는 재료를 생산할 수 있는 등 상당한 이점을 제공합니다.
4가지 주요 단계 설명
1. 플라즈마 가열
SPS의 초기 단계에서는 분말 입자 사이의 전기 방전으로 인해 입자 표면이 섭씨 수천도까지 국부적으로 순간적으로 가열됩니다.
이 마이크로 플라즈마 방전은 시료 부피 전체에 균일하게 형성되어 생성된 열이 고르게 분포되도록 합니다.
고온으로 인해 입자 표면에 집중된 불순물이 기화되어 표면이 정화되고 활성화됩니다.
이러한 정화는 정화된 입자 표면층의 용융과 융합으로 이어져 입자 사이에 "목"을 형성합니다.
2. 소결
SPS의 소결 단계는 온도와 압력을 동시에 적용하여 고밀도화를 유도하는 것이 특징입니다.
몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있는 기존 소결과는 달리 SPS는 단 몇 분 만에 소결 과정을 완료할 수 있습니다.
이는 높은 가열 속도를 생성하는 펄스 DC를 사용하여 샘플의 내부 가열을 통해 달성됩니다.
소결 온도에서의 짧은 유지 시간(보통 5~10분)은 전체 소결 시간을 더욱 단축시킵니다.
빠른 가열과 짧은 소결 시간은 거칠어짐과 입자 성장을 방지하여 서브미크론 또는 나노 크기의 재료를 포함하여 독특한 구성과 특성을 가진 재료를 생성할 수 있습니다.
3. 냉각
소결 단계가 끝나면 재료가 냉각됩니다.
SPS의 빠른 가열 및 냉각 사이클은 고온이 입자의 표면 영역에 국한되어 입자 내 입자 성장을 방지하기 때문에 소결된 재료의 미세한 미세 구조를 유지하는 데 도움이 됩니다.
4. SPS의 장점
SPS는 기존 소결 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
나노 구조 재료, 복합 재료, 그라데이션 재료 등 다양한 재료를 가공할 수 있습니다.
높은 소결 속도와 짧은 공정 주기로 인해 기존 방식에 비해 낮은 소결 온도에서 고밀도 컴팩트를 생산하는 데 더 효율적인 방법입니다.
또한 SPS는 소결체의 입자 크기를 효과적으로 제어할 수 있어 원하는 재료 특성을 달성하는 데 유리합니다.
또한 이 기술은 분말 성형과 소결을 단일 공정으로 결합하여 사전 성형과 첨가제 또는 바인더의 사용이 필요하지 않습니다.
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