Spark Plasma Sintering – A Method for Toughening Ceramics

Background

Silicon nitride ceramics are widely used in structural applications because they have low density yet are very tough. Their damage tolerance is based upon an interlocking microstructure of elongated grains, which is developed by heating the appropriate powder compacts to temperatures above 1,700°C for extended periods, at which point densification, phase transformation and grain growth take place simultaneously. Consequently, it is extremely difficult to clarify the mechanism behind grain growth. What is known is that the process takes place slowly over a period of several hours, even at high temperatures. Now, Zhijan Shen and colleagues at the Department of Inorganic Chemistry at Stockholm University, using a spark plasma sintering (SPS) technique, have developed a method that allows greater control over the final structure of the silicon nitride ceramic. Liquid Phase Sintering Mechanisms Previously, during the liquid phase of sintering, the formation of the final phases from the mixture of oxides and nitrides that compromise the starting material was driven by chemical forces. Small crystals that are initially present in the starting material dissolve in the liquid and reform into larger more thermodynamically stable larger crystals. The two phases are generally close to thermodynamic equilibrium, giving the process little momentum, which is why the process takes hours. Spark Plasma Sintering Mechanisms In Shen’s process the sintering temperature is reached in less than five minutes, causing the liquid phase to be grossly out of equilibrium with grain forming matrix, creating a strong chemical driving force for the two to equilibrate. The resulting transport of materials gives long needle-shaped grains in substantially shorter time. Although the work was carried out in a research-scale SPS furnace, the dynamic ripening principle seems applicable to all nitrogen ceramics – further use of SPS will allow more detailed study of the grain growth mechanism. As a result, the principle behind the development of tough needle-shaped microstructures will be better understood, giving rise to new high-toughness ceramics.         Thiêu kết xung điện Plasma – Phuơng pháp làm tăng độ dẻo dai cho vật liệu gốm- ( Vietnamese) Cơ sở Gốm SiN được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng kết cấu do nó có tỷ khối thấp và độ dẻo dai chưa thật sự cao. Sai hỏng phá hủy của chúng dựa trên vi cấu trúc các hạt kéo dài khóa lẫn nhau, được hình thành nhờ nung nóng khối bột nén ở nhiệt độ trên 1700C trong thời gian dài, tại điểm kết khối, chuyển pha và phát triển hạt xảy ra đồng thời. Do vậy, rất khó phân tách cơ chế theo sau quá trình lớn hạt. Chúng ta đã biết là quá trình xảy ra chậm trong các khoảng thời gian dài hàng giờ, thạm chí tại nhiệt độ cao. Ngày nay, Zhijan và các cộng sự tại bộ môn Hóa vô cơ tại ĐH Stockholm, sử dụng kỹ thuật thiêu kết xung điện Plasma (SPS), đã phát triển phuơng pháp cho phép diều khiển tốt hơn cấu trúc gốm SiN thành phẩm. Cơ chế thiêu kết pha lỏng Trước đây, trong quá trình thiêu kết pha lỏng, sự hình thành pha cuối cùng từ hỗn hợp của oxyt và nitrid từ sự thỏa hiệp từ nguyên liệu ban đầu xảy ra bởi phản ứng hóa học. Các tinh thể nhỏ xuất hiện đầu tiên trong nguyên liệu ban đầu sẽ tan vào pha lỏng và phát triển lớn hơn, ổn định nhiệt động học thành tinh thể lớn. Hai pha rất gần với cân bằng nhiệt động, làm cho quá trình có xảy ra chậm, làm cho quá trình xảy ra trong nhiều giờ. Cơ chế thiêu kết xung điện Plasma Trong quá trình của Shen, nhiệt độ thiêu kết được nâng rất nhanh dưới 5 phút, dẫn đến pha lỏng lệch khỏi cân bằng với nền các hạt được tạo thành, tạo ra động lực hóa học cho cả 2 pha tiến về cân bằng. Vận chuyển của quá trình dẫn đến kết quả là các hạt có dạng kim dài sinh ra trong 1 thời gian ngắn hơn. mặc dù công trình được thực hiện trong thiết bị lò nghiên cứu, nguyên lý động học rõ ràng này có thể được áp dụng cho tất cả các gốm chứa N – sự sử dụng SPS sẽ cho phép nghiên cứu sâu hơn cơ chế phát triển hạt. Kết quả là, nguyên lý theo sau sự phát triển của vi cấu trúc dạng kim bền vững sẽ được hiểu sâu hơn, đem lại sự gia tăng sử dụng cho vật liệu gốm có độ dẻo dai cao. Sources: http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1539 luyenkim.net