脉冲放电·快速致密

——日本SINTER-LAND LABOX型脉冲通电加压烧结系统技术解析

在热电材料、硬质合金、陶瓷基复合材料与纳米材料等领域，难烧结粉体的致密化成型长期面临烧结温度高、时间长、晶粒粗化等难题。放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS，亦称脉冲通电加压烧结）通过脉冲直流电流与轴向压力的协同作用，可在数分钟内完成粉体的快速致密化，成为新材料研发的重要制备手段。日本株式会社シンターランド（SINTER LAND）自1999年创立以来专注SPS技术，其推出的第五代LABOX系列研究开发用脉冲通电加压烧结装置，以紧凑结构与精密控制成为高校与科研机构的主流选型。本文将从产品定位、烧结原理、机型规格与应用领域等维度进行技术解析。

一、产品概述与品牌定位

SINTER LAND 于1999年以普及与发展SPS技术为目的设立，是日本国内第一家SPS加工中心，通过大量受委托研究与加工积累了丰富的烧结工艺与应用技术。2010年，公司推出自主品牌第五代放电等离子烧结系统LABOX系列与JPX系列，并取得相关专利与ISO质量认证。LABOX 面向研究开发用途，涵盖从桌台式小型机到大型生产前验证机的丰富规格，其命名寓意"无限可能的研究开发之箱"。如图1所示，LABOX台式装置采用立式柜体结构，集成烧结腔体、加压机构与控制单元。

在中国市场，LABOX系列凭借结构紧凑、操控性好、节能经济的特点，已被国内百余家科研院所与企业采用，全球累计制造数量居于行业前列。表1列出了LABOX-MC系列的主要规格。

二、SPS烧结原理与LABOX技术特征

SPS的致密化机理由三种能量作用协同完成。其一为脉冲放电活化：脉冲直流电流垂直贯通石墨模具与内部粉体，颗粒间隙瞬间产生微区放电，激发局部等离子体，击穿颗粒表面氧化层、净化并活化颗粒接触面，大幅降低烧结活化能，无需长时间高温保温即可实现界面结合；其二为焦耳热：电流流经模具与粉体产生整体电阻热，实现均匀快速升温，升温速率可达每分钟数百摄氏度，烧结效率较传统无压烧结提升数倍至十余倍；其三为轴向压力：机械压力持续作用于试样两端，在高温塑性状态下推动颗粒重排与孔隙收缩，三者同步作用实现低温快速致密化，抑制晶粒长大、保留纳米组织。

LABOX系列的技术特征集中体现于三方面。一是独自开发的高效率省能源电源：采用自研DC脉冲逆变电源，较传统装置大幅降低功耗，并抑制通电回路中不必要的发热，一次侧电源容量需求也随之减小；二是控制性能优异的加压机构：以响应性高的AC伺服电机取代传统液压方式，实现从低加压到高加压宽范围内的精密控制，且无连续噪音、静音运行，加压分辨率与响应速度满足精细工艺需求；三是特殊通电机构与高冷却能力：约每分钟500摄氏度的高速升温与快速降温能力，使烧结周期大幅缩短，支撑微细组织控制烧结与快速试样制备。此外，温度、升降温速度、加压力与保持时间等参数均可自由设定，配合可选的SPS数据分析系统，可在电脑界面实时监测电流、电压、温度、加压力、位移量、变化率与真空度等工艺参数的推移。如图2所示，LABOX控制单元集成彩色触控屏与压力仪表。

三、机型规格与系统构成

LABOX-MC系列是针对易氧化、怕潮纳米粉末开发的材料处理机构附带机型。其采用专用胶囊与材料处理机构组成的新型腔体概念（专利申请中）：在既有的手套箱内完成粉末充填与胶囊装填，送入装置腔体后由材料处理机构在腔体外操作下开封，再移载至上下加压电极之间通电烧结，全过程不将试样暴露于大气，适用于纳米相材料等高品质试样的试作。标准规格上，LABOX-110MC最大加压力10千牛、LABOX-210MC最大加压力20千牛，脉冲电流输出均为1200安培，Z轴加压行程50毫米，试样台直径70毫米，最高使用温度1400摄氏度，真空腔体为水冷式方形铝制结构。

系统可选配高真空扩散泵（6×10⁻³帕）以满足高真空烧结，并支持惰性气氛与还原性气氛烧结；温度测量采用红外辐射温度计与热电偶的复合模式，覆盖不同温度区间。丰富选配件包括SPS数据收录与分析系统、加压力程序控制器、电流程序控制器、Z轴位移1微米级检测、脉冲电流OFF时间设定、Z轴位置控制、冷却水循环单元、粉末充填与离型用小型压机及各种石墨烧结模具等，可按用户工艺需求灵活扩展。如图3所示，大型LABOX系列面向大尺寸烧结与接合，配套大容量电源与大口径腔体，从研究验证向准生产延伸。

四、对象材料与应用领域

LABOX覆盖的材料范围广泛，从金属、陶瓷、聚合物到复合材料，代表对象包括纳米相材料、梯度功能材料、非晶与金属玻璃、多元素材料、高熔点材料、多孔质材料、金属间化合物、细陶瓷、金属陶瓷、各种合金、CNT/CNF增强复合材料等。在应用领域方面，可用于热电转换材料、溅射与CVD用靶材、高导热材料、磁性材料、透光材料、压电与电介质等电子器件材料、超硬合金与金刚石/CBN硬质工具、模具材料、稀土等回收资源的再烧结、铝钛系难烧结合金、人工骨与齿科材料等生物相容材料、耐磨损与耐热材料以及储氢合金等的制备。相比传统烧结方法，SPS在难烧结材料的易烧结化、晶粒长大抑制、试样内温度梯度控制、颗粒表面净化活化、组分与密度均一、密度可控以及低温短时烧结等方面具有显著优势。表2对比了SPS与常用烧结方法的差异。

五、结语

SINTER-LAND LABOX系列以脉冲放电活化、焦耳热与轴向加压三要素协同的SPS机理，实现了难烧结材料的低温快速致密化，AC伺服加压与DC脉冲逆变电源赋予其精密控制与节能优势，材料处理机构与丰富选配件则拓展了从纳米粉体到大型烧结的适用范围。作为研究开发用脉冲通电加压烧结平台，LABOX为热电材料、硬质合金、陶瓷基复合材料、磁性材料与生物材料等前沿方向的高质量试样制备提供了高效可靠的装备支撑，是SPS技术从实验验证走向工程应用的重要桥梁。