스파크 플라즈마 소결(SPS)은 펄스 DC를 사용하여 분말 입자 사이의 전기 방전을 통해 국부적인 가열을 생성하는 공정입니다.
이를 통해 빠른 소결 및 치밀화가 이루어집니다.
이 공정은 높은 가열 속도와 온도와 압력을 동시에 적용하는 것이 특징입니다.
이를 통해 소결 시간을 크게 단축하고 미세 구조를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
5가지 주요 단계 설명
1. 플라즈마 가열
이 공정은 펄스 DC를 적용하는 것으로 시작됩니다.
이로 인해 분말 입자 사이에 전기 방전이 발생합니다.
이러한 방전은 입자 표면의 국부적이고 순간적인 가열을 생성합니다.
가열은 섭씨 수천도에 달할 수 있습니다.
이러한 균일한 가열은 시료 부피 전체에 걸쳐 마이크로 플라즈마 방전이 균일하게 분포함으로써 촉진됩니다.
2. 입자 표면의 정화 및 활성화
고온으로 인해 입자 표면의 불순물이 기화됩니다.
이는 입자 표면의 정화 및 활성화로 이어집니다.
이 단계는 본딩을 위해 입자를 준비하기 때문에 매우 중요합니다.
3. 용융 및 융합
정화된 입자의 표면층이 녹아 서로 융합됩니다.
이렇게 하면 입자 사이에 "목"이 형성됩니다.
이 융합은 입자 간격을 줄임으로써 촉진됩니다.
이는 표면 확산과 경계 결함 확산을 촉진합니다.
4. 빠른 소결 및 치밀화
높은 소결 에너지, 빠른 가열 속도(최대 1000°C/min), 동시 압력 적용의 조합으로 고밀도화가 이루어집니다.
이 빠른 공정은 몇 분 안에 완료할 수 있습니다.
이는 몇 시간 또는 며칠이 걸리는 기존의 소결 방법과는 대조적입니다.
소결 온도에서 높은 가열 속도와 짧은 유지 시간은 입자 성장을 방지합니다.
이를 통해 소결체의 입자 크기와 미세 구조를 제어할 수 있습니다.
5. 기존 소결 대비 장점
SPS는 프리포밍이나 첨가제 및 바인더가 필요하지 않습니다.
또한 낮은 소결 온도(기존 방식보다 200~250°C 낮은 온도)로 고밀도 소재를 소결할 수 있습니다.
이는 온도와 압력을 동시에 적용하기 때문입니다.
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