SPS壓力燒結(jié)爐，全稱為放電等離子燒結(jié)爐（Spark Plasma Sintering Furnace），是一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、材料科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域。是利用脈沖電流通過粉末顆粒時(shí)產(chǎn)生的放電等離子體，實(shí)現(xiàn)材料的快速燒結(jié)。當(dāng)脈沖電流通過粉末顆粒時(shí)，顆粒之間的氣隙會(huì)發(fā)生電火花放電，產(chǎn)生高溫等離子體。這些等離子體中的活性粒子具有高的能量，能夠促進(jìn)粉末顆粒表面的氧化膜分解，提高粉末表面的活性，并促進(jìn)顆粒間的接觸和粘結(jié)。在放電等離子體的高溫作用下，粉末顆粒表面迅速升溫，達(dá)到燒結(jié)溫度，進(jìn)而在外部壓力的作用下形成緊密的燒結(jié)體。
SPS壓力燒結(jié)爐是一種復(fù)雜的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括以下部分：
一、真空系統(tǒng)
真空腔室
這是一個(gè)密封的空間，用于放置待燒結(jié)的樣品。它能夠承受一定的壓力和溫度變化，通常采用不銹鋼等高強(qiáng)度材料制成。真空腔室的形狀和尺寸根據(jù)不同的應(yīng)用需求和樣品大小而有所不同，常見的有圓柱形和矩形等形狀。
腔室內(nèi)壁需要進(jìn)行特殊的處理，如拋光和清潔，以減少雜質(zhì)的吸附和氣體的釋放，保證燒結(jié)過程的純凈性。
真空泵
用于抽出真空腔室內(nèi)的空氣和其他氣體，達(dá)到所需的真空度。一般采用機(jī)械泵和分子泵的組合。機(jī)械泵能夠快速地將腔室內(nèi)的氣壓降低到一定程度，而分子泵則可以在高真空區(qū)域進(jìn)一步降低氣壓，使腔室內(nèi)的真空度達(dá)到較高的水平，通常可以達(dá)到10?³-10??Pa甚至更高的真空度。
二、加壓系統(tǒng)
壓力裝置
包括上下壓頭和壓力傳感器。上下壓頭通常采用高強(qiáng)度的材料制成，如硬質(zhì)合金或高速鋼等，它們能夠在燒結(jié)過程中對(duì)樣品施加壓力。壓力的大小可以通過壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，壓力范圍一般在幾噸到幾十噸不等。
有些先進(jìn)的SPS壓力燒結(jié)爐還配備了自動(dòng)調(diào)平裝置，可以確保上下壓頭在加壓過程中始終保持平行，保證樣品受壓的均勻性。
位移傳感器
用于精確測(cè)量上下壓頭的位移變化，從而計(jì)算出樣品在燒結(jié)過程中的收縮量和密度變化。位移傳感器的精度通常可以達(dá)到微米級(jí)別，這對(duì)于控制樣品的尺寸和密度非常重要。
三、加熱系統(tǒng)
脈沖電源
是SPS燒結(jié)爐的核心部件之一，它能夠提供高能量的脈沖電流。脈沖電源通過調(diào)節(jié)脈沖電流的大小、寬度和頻率來控制燒結(jié)過程中的加熱速率和溫度。一般來說，脈沖電流的強(qiáng)度可以達(dá)到數(shù)千安培甚至更高，脈沖寬度在幾微秒到幾毫秒之間，頻率可以從幾十赫茲到幾百赫茲不等。
加熱元件
通常采用石墨作為加熱元件，因?yàn)槭哂辛己玫膶?dǎo)電性和耐高溫性能。石墨加熱元件圍繞在真空腔室的周圍，當(dāng)脈沖電流通過石墨時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，從而使腔室內(nèi)的溫度升高。加熱元件的設(shè)計(jì)需要考慮其與樣品之間的熱傳遞效率和溫度均勻性。
隔熱材料
為了減少熱量的損失和防止腔室外部部件過熱，在加熱元件與真空腔室之間以及腔室與外部之間會(huì)設(shè)置隔熱材料。常用的隔熱材料有碳纖維氈、陶瓷纖維棉等，這些材料具有較低的熱導(dǎo)率和良好的耐高溫性能。
四、控制系統(tǒng)
溫度控制單元
主要功能是通過熱電偶等溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度曲線來調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品燒結(jié)溫度的精確控制。溫度控制單元通常采用PID（比例-積分-微分）反饋控制算法，控制精度可以達(dá)到±1-2℃。
壓力控制單元
根據(jù)設(shè)定的壓力曲線和位移傳感器的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)壓力裝置的輸出壓力，確保樣品在燒結(jié)過程中受到恒定或變化的壓力。壓力控制單元還可以設(shè)置壓力保護(hù)功能，當(dāng)壓力超過設(shè)定的最大值時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止加壓，以防止設(shè)備損壞和樣品變形過大。
操作界面
包括觸摸屏、按鈕和顯示屏等部件，用于用戶設(shè)置燒結(jié)工藝參數(shù)、啟動(dòng)和停止燒結(jié)過程、實(shí)時(shí)顯示溫度、壓力、位移等數(shù)據(jù)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息。操作界面應(yīng)該簡(jiǎn)潔明了、易于操作，方便用戶進(jìn)行各種工藝參數(shù)的調(diào)整和監(jiān)控。
