Le frittage par plasma à étincelles (SPS) est une technique de frittage rapide qui utilise un courant électrique pulsé pour chauffer et densifier des matériaux en poudre.
Le processus comprend trois étapes principales : le chauffage par plasma, le frittage et le refroidissement.
Le SPS offre des avantages significatifs par rapport aux méthodes de frittage conventionnelles, notamment des temps de traitement plus rapides, des taux de chauffage plus élevés et la possibilité de produire des matériaux dont les microstructures et les propriétés sont contrôlées.
Les 4 étapes clés expliquées
1. Chauffage au plasma
Au stade initial de la SPS, une décharge électrique entre les particules de poudre entraîne un chauffage localisé et momentané des surfaces des particules jusqu'à plusieurs milliers de degrés Celsius.
Cette décharge de micro-plasma se forme uniformément dans tout le volume de l'échantillon, ce qui garantit une répartition homogène de la chaleur générée.
Les températures élevées provoquent la vaporisation des impuretés concentrées à la surface des particules, purifiant et activant les surfaces.
Cette purification entraîne la fusion des couches superficielles purifiées des particules, formant des "cols" entre elles.
2. Le frittage
L'étape du frittage dans les SPS se caractérise par l'application simultanée de la température et de la pression, ce qui entraîne une forte densification.
Contrairement au frittage classique, qui peut prendre des heures, voire des jours, le processus de frittage peut être achevé en quelques minutes seulement.
Ce résultat est obtenu grâce au chauffage interne de l'échantillon à l'aide d'un courant continu pulsé, qui génère des taux de chauffage élevés.
La courte durée de maintien à la température de frittage (généralement 5 à 10 minutes) réduit encore le temps de frittage total.
Le chauffage rapide et les temps de frittage courts empêchent le grossissement et la croissance des grains, ce qui permet de créer des matériaux avec des compositions et des propriétés uniques, y compris des matériaux à l'échelle submicronique ou nanométrique.
3. Refroidissement
Après l'étape de frittage, le matériau est refroidi.
Les cycles de chauffage et de refroidissement rapides de la technologie SPS permettent de conserver la fine microstructure du matériau fritté, car les températures élevées sont localisées à la surface des particules, ce qui empêche la croissance des grains à l'intérieur des particules.
4. Avantages de la technique SPS
La technologie SPS offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes de frittage conventionnelles.
Elle permet de traiter une large gamme de matériaux, y compris les matériaux nanostructurés, les composites et les matériaux à gradient.
Les taux de frittage élevés et les cycles de traitement courts en font une méthode plus efficace pour produire des compacts denses à des températures de frittage plus basses que les méthodes conventionnelles.
En outre, la technologie SPS permet de contrôler efficacement la taille des grains du corps fritté, ce qui est bénéfique pour obtenir les propriétés souhaitées du matériau.
Cette technologie combine également le formage des poudres et le frittage en un seul processus, ce qui élimine le besoin de préformage et l'utilisation d'additifs ou de liants.
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