Spark Plasma Sintering apparecchio utilizzato per la formazione di titanato di stronzio Bicrystals

Sinterizzazione Spark plasma (SPS) è una tecnica in cui l'applicazione di alta pressione uniassiale e pulsati cavi in corrente continua al rapido addensamento di polvere compatta ^1. Questa tecnica porta anche alla formazione di successo di strutture composite da vari materiali, tra nitruro di silicio / carburo di silicio, zirconio boruro / carburo di silicio, carburo di silicio o, in mancanza di aiuti sinterizzazione aggiuntivi necessari ^{2, 3, 4, 5.} La sintesi di queste strutture composite convenzionale di pressatura a caldo era stato impegnativo in passato. Mentre l'applicazione di alta pressione uniassiale e velocità di riscaldamento veloce tramite la tecnica SPS migliora consolidamento delle polveri e compositi, il fenomeno causa questo maggiore densificazione dibattuto in letteratura ^{2, 3,}class = "xref"> ^{6, 7.} Esiste anche solo informazioni limitate per quanto riguarda l'influenza dei campi elettrici sulla formazione bordo grano e le risultanti strutture atomiche di core bordo di grano ^{8, 9.} Queste strutture di base determinano le proprietà funzionali di SPS materiali sinterizzati, tra cui scintilla di condensatori ad alta tensione e la resistenza meccanica e la durezza di ossidi ceramici ^10. Pertanto, la comprensione della struttura bordo grano fondamentale in funzione dei parametri di processo SPS, come corrente applicata, è necessario per la manipolazione delle proprietà fisiche globali di un materiale. Un metodo per chiarire sistematicamente i meccanismi fisici fondamentali relativi SPS è la formazione di strutture di confine dei grani specifici, cioè, bicrystals. Un bicrystal viene creato manipolazione dei due cristalli singoli, che sono poi diffusione legato con particolare misorientation angoli ^11. Questo metodo fornisce un modo controllato per indagare le fondamentali strutture principali bordo di grano in funzione dei parametri di processo, concentrazione di drogante, ed impurità separazione ^{12, 13, 14.}

Saldatura per diffusione dipende quattro parametri: temperatura, tempo, pressione, e l'atmosfera incollaggio ^15. Convenzionale saldatura per diffusione di titanato di stronzio (SrTiO _3, STO) bicrystals tipicamente avviene ad una pressione inferiore a 1 MPa, ad una temperatura di 1400-1500 ° C, e scale temporali che vanno da 3 a 20 ore ^{13, 14, 16, 17.} In questo studio, bonding in un apparato SPS viene raggiunto a significativamente inferiori scale di temperatura e tempo in cONFRONTO ai metodi convenzionali. Per i materiali policristallini, ridotta temperatura e tempo scale tramite SPS limita significativamente la crescita del grano, fornendo in tal modo il controllo vantaggiosa di proprietà di un materiale attraverso la manipolazione della sua microstruttura.

L'apparecchiatura SPS, per un campione di 5 × 5 mm ^2, esercita una pressione minima di 140 MPa. Nell'intervallo di temperatura diffusion bonding convenzionale, Hutt et al. segnalare frattura istantanea STO quando la pressione di legame supera i 10 MPa ^18. Tuttavia, STO mostra temperatura comportamento dipendente plasticità, che indica la pressione di incollaggio può superare il 10 MPa a temperature specifiche. Sopra 1.200 ° C e sotto i 700 ° C, STO espone alcuni duttilità, in cui sottolinea superiore a 120 MPa può essere applicato senza frattura istantanea del campione. All'interno della gamma di temperatura intermedia di 700-1,200 ° C, STO è fragile e le esperienze frattura istantanea a strecce maggiore di 10 MPa. A 800 ° C, STO ha deformabilità minore prima della frattura a tensioni inferiori a 200 MPa ^{19, 20, 21.} Quindi, le temperature di legame per la formazione STO bicrystal tramite apparecchi SPS devono essere selezionati in base al comportamento plasticità del materiale.