Le principe Spark Plasma Sintering

Le Spark Plasma Sintering (SPS) est un procédé de frittage sous pression basé sur l’utilisation de plasmas à haute température momentanément générés entre les particules de poudres par une décharge électrique.

Le mécanisme de synthèse et les propriétés mécaniques d’un matériau compact fritté par SPS montrent des caractéristiques différentes comparées aux procédés conventionnels de frittage avec pression. Le procédé permet de produire de manière régulière des matériaux compacts à densité élevée et offre des avantages signifiants.

Les vitesses de chauffe et de refroidissement étant élevées, le maintien en température étant généralement court, la densification du matériau peut se faire à une température relativement plus basse que les méthodes conventionnelles. Ces paramètres permettent de réduire la croissance des grains et donc d’avoir une microstructure fine.

Une analyse qualitative actuelle du mécanisme de consolidation des poudres conductrices montre que le courant électrique pulsé qui s’écoule à partir du piston supérieur est divisé en plusieurs branches.

Une partie passe à travers la matrice graphite et mène à une grosse quantité de chaleur par effet Joule qui sera transférée à la poudre. Une autre, à travers la poudre elle-même, produit des décharges entre les particules de poudre voisines, ce qui engendre la formation d’un plasma qui se déplace et accélère le processus de frittage. Le gaz et les impuretés adsorbées par la surface sont éliminés. Des zones localement très chaudes sont formées instantanément par effet Joule résultant en une fusion locale aux surfaces des particules. Ceci permet aux atomes de diffuser rapidement, les pores créés sont alors sphériques. Sous la pression, des zones de contact sont formées après solidification. La chaleur est ensuite transférée rapidement le long des surfaces [SON’05, TAN’08].

Une étude systématique du frittage par SPS permet de suivre l’évolution de la microstructure, de la taille des grains et la distribution de taille et de la densité.

Il en ressort que ce procédé peut être divisé en plusieurs étapes caractéristiques : empilement dense des particules, formation et grossissement de zones de contact jusqu’à densification totale.

Les facteurs dominant sont respectivement : la pression, la décharge et l’effet Joule.