[实用新型]一种超声辅助直流烧结炉

说明书

本实用新型涉及一种超声辅助直流烧结炉，其特征在于：其包括：炉体、超声控制系统、直流电流控制系统、单向压力控制系统和烧结控制中心；单向压力控制系统包括相互连接的压力发生部和压力控制部，压力发生部设置在炉体内，用于对设置在炉体内的待烧结材料进行单向加压；压力控制部与烧结控制中心相连接；超声控制系统与压力发生部相连，通过压力发生部施加机械振动信号并作用于待烧结材料；直流电流发生器分别与压力控制系统的压力发生部和烧结控制中心相连接。本实用新型可用于各种先进材料的烧结中。

技术领域

本实用新型涉及一种烧结炉，特别是关于一种超声辅助直流烧结炉。

背景技术

高性能陶瓷、硬质合金等先进材料的致密化烧结是其制备过程中的关键科学技术问题之一。以先进结构陶瓷材料为例，烧结可以促进气孔排出，提高颗粒间的结合强度，使陶瓷颗粒致密化，最终得到接近理论密度且具有出色力学性能的致密陶瓷材料。

陶瓷材料通常具有极高的理论强度，例如氧化铝的理论强度范围为38～76GPa；碳化硅的理论强度为44～88GPa。然而，现有烧结方法所得到陶瓷材料的实际强度远达不到其理论强度：通常多晶陶瓷的实际强度仅约为理论强度的1/500～1/50。陶瓷材料实际强度不够理想一方面是因为材料中存在制造缺陷和结构缺陷，如气孔夹杂物、裂纹、团聚等，从而导致应力集中，材料强度降低；另一方面是因为陶瓷晶粒过大。根据Hall-Petch公式，材料晶粒越大，则强度越低。目前常见的烧结方法主要有常压烧结、气压烧结、热压烧结、放电等离子体烧结(SPS)等。常压烧结在烧结过程中不对材料施加额外的压力，即在大气压力下进行烧结；气压烧结则使材料在一定压力下的保护气氛中进行烧结；与常压烧结和气压烧结相比，热压烧结在烧结时通过压头给材料施加数十兆帕的压力，从而提高材料的烧结驱动力，促进气孔排出并抑制晶粒长大。通常来说，热压烧结材料比常压和气压烧结材料更加致密、晶粒更小，力学性能更好，但由于材料内部依然有明显的闭气孔存在，其性能提高水平仍不够理想。放电等离子体烧结指在烧结过程中无外加热源，而是直接对材料通入脉冲电流，依靠材料本身通电发热使其升温，并利用通电产生的等离子及活化效应促进烧结，这一方法可以缩短烧结时间，提高烧结效率，然而由于脉冲电流加热常常使样品内温度场不均匀，因此无法烧结大尺寸样品；同时放电等离子体烧结设备结构复杂，成本很高，不适合工业化大规模应用。如果能将烧结过程中的脉冲电流改为恒定的直流电流，持续提供放电火花，则可以提高烧结材料的温度场均匀性，从而提高烧结体性能。

超声波在现代军事、工业、生活等领域有广泛的应用，当超声波与媒介相互作用时，可以激发材料各点的高频振动，从而引发各种独特的物理化学效应。例如，超声波通过液体时所伴随的的空化效应可以产生局部高温、高压，以及强烈的冲击波；超声波作用于材料时可以促使材料产生强烈的高频振动，促进物质的扩散、溶解等过程。可以预想，如果能在材料烧结过程中引入超声波处理，可以通过待烧结颗粒的剧烈运动进一步促进气孔排出并抑制晶粒长大。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种无外加热源，通过直流电流对各种尺寸的待烧结材料进行烧结，并可以在烧结过程中同步对材料进行超声辅助处理，促进气孔排出，显著抑制晶粒长大，提高烧结体致密度，从而进一步提高现有各种先进材料性能的超声辅助直流烧结炉。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种超声辅助直流烧结炉，其包括：炉体、超声控制系统、直流电流控制中心、单向压力控制系统和烧结控制中心；所述单向压力控制系统包括相互连接的压力发生部和压力控制部，所述压力发生部设置在所述炉体内，用于对设置在所述炉体内的夹持有待烧结材料的模具进行单向加压；所述压力控制部与所述烧结控制中心相连接，用于对所述压力发生部产生的压力进行控制；所述超声控制系统与所述压力发生部相连，并通过所述压力发生部施加机械振动信号并作用于待烧结材料；所述直流电流发生器分别与所述压力控制系统的压力发生部和烧结控制中心相连接，对所述待烧结材料施加直流电流。