[發明專利]一種磁場耦合直流電流的壓力燒結爐及燒結方法

在審

• 申請號: 201910094485.8
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109631568A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 謝志鵬;許靖堃;安迪
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F27B5/04
• 分類號: F27B5/04;F27B5/16;F27B5/18
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 孫楠

本發明涉及一種磁場耦合直流電流的壓力燒結爐及燒結方法，其包括：爐體、磁場控制系統、壓力控制系統、直流電流發生器和總控中心；爐體包括上爐蓋、下爐蓋和爐體本體，爐體本體內設置有模具；磁場控制系統包括磁場發生部和磁場控制部，磁場發生部設置在爐體本體內，對模具內的待燒結材料施加磁場，磁場控制部與總控中心相連；壓力控制系統包括壓力發生部和壓力控制部，壓力發生部設置在爐體本體內，用于固定模具并對模具內的待燒結材料進行加壓；壓力控制部與總控中心相連，對壓力發生部的壓力進行控制；直流電流發生器分別與壓力控制系統的壓力發生部和總控中心相連，對模具或待燒結材料施加直流電流。本發明可應用于各種高性能先進材料的燒結過程中。

技術領域

本發明涉及一種燒結爐及燒結方法，特別是關于一種磁場耦合直流電流的壓力燒結爐及燒結方法。

背景技術

燒結是高性能陶瓷、硬質合金等多種先進材料制備過程中最關鍵的步驟之一。以陶瓷材料為例，原料素坯或粉體在燒結過程中發生物質遷移，達到某一溫度后坯體發生收縮，晶粒長大，并伴隨氣孔排除，最終在低于熔點的溫度下變為致密的陶瓷材料。氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷的熔點很高，相比其他低熔點陶瓷，需要在更高的溫度下進行燒結才能實現致密化，從而對相應的燒結設備提出了很高要求。

根據具體燒結工藝參數的不同，目前已經發展出多種燒結技術，如常壓燒結、氣壓燒結、熱壓燒結、放電等離子體燒結(即SPS)等。常壓燒結指材料在大氣壓力環境中進行燒結，產品致密度不高。氣壓燒結指材料在特定的保護氣氛環境中進行燒結，氣體壓力通常大于大氣壓，適合大規模工業化生產，但產品致密度仍不夠理想。熱壓燒結在材料的燒結過程中通過壓頭施加外部壓力，從而提高燒結驅動力，可在較短時間內達到致密化，有利于獲得晶粒細小均勻的顯微結構。以上三種燒結技術主要依靠發熱體(如硅鉬棒、石墨等)的發熱，通過對流、傳導和輻射三種熱傳導方式對樣品進行加熱，因而燒結功耗很大，而加熱效率很低。近年來興起的放電等離子體燒結(SPS)指在燒結過程中不使用外加熱源，而是利用通過樣品或導電模具的脈沖電流使其自身發熱升溫，同時利用其產生的等離子及活化效應促進燒結。但是采用脈沖電流加熱容易導致樣品內溫度場不均勻，無法燒結大尺寸樣品；而且脈沖電流設備結構復雜，成本高，不適合工業化應用。如果能在無發熱體的燒結過程中直接施加穩定的直流電流，持續提供放電火花，則能得到高于SPS的燒結效率和燒結質量，且樣品內溫度場均勻，可燒結大尺寸樣品。此外，具有磁各向異性的陶瓷材料處于磁場中時，其晶粒受到磁力作用有發生轉動的趨勢，這一趨勢使其易磁化軸傾向于平行磁場方向排列，從而得到具有織構的燒結體。目前國內外尚沒有針對可在燒結過程中耦合磁場的燒結設備或方法出現。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠在磁場環境下對材料進行燒結，有效地排出氣孔，提高材料的致密化程度，細化晶粒，并促進材料織構的形成，同時能通過施加穩定的直流電流提高燒結效率和質量，從而制備出高性能先進材料的磁場耦合直流電流的壓力燒結爐及燒結方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種磁場耦合直流電流的壓力燒結爐，其包括：爐體、磁場控制系統、壓力控制系統、直流電流發生器和總控中心；所述爐體包括螺栓連接的上爐蓋、下爐蓋和爐體本體，所述爐體本體內設置有用于夾持待燒結材料的模具；所述磁場控制系統包括相互連接的磁場發生部和磁場控制部，所述磁場發生部設置在所述爐體本體內，用于對所述模具內的待燒結材料施加磁場，所述磁場控制部與所述總控中心相連接，用于對所述磁場發生部產生的磁場進行控制；所述壓力控制系統包括相互連接的壓力發生部和壓力控制部，所述壓力發生部設置在所述爐體本體內，用于固定所述模具，并對所述模具內的待燒結材料進行單向加壓；所述壓力控制部與所述總控中心相連接，用于對所述壓力發生部的壓力進行控制；所述直流電流發生器分別與所述壓力控制系統的壓力發生部和總控中心相連接，用于施加通過所述模具或待燒結材料的直流電流。

進一步的，所述磁場發生部為呈空心圓柱狀的磁場發生裝置，所述磁場發生裝置緊貼設置在所述模具外側或所述爐體內壁。