Spark Plasma Sintering (SPS) ist eine Sintertechnik, bei der Materialien verdichtet und zu höheren Dichten kondensiert werden. Systeme, die für das Spark-Plasma-Sintern ausgelegt sind, verwenden Gleichstromimpulse (DC), um Funkenenergie zwischen den Partikeln des Materials zu erzeugen. Diese Technologie erreicht eine schnelle Verschmelzung zwischen Partikeln und im Gegensatz zu anderen Sinterprozessen, die ausschließlich in der Metallbearbeitung involviert sind, kann das Spark-Plasma-Sintern auf Keramiken, Verbundwerkstoffe und Nanostrukturen angewendet werden.
Das Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der elektrischen Funkenentladung, bei der ein hochenergetischer Pulsstrom in den Partikelzwischenräumen des Materials ein Funkenplasma erzeugt. Dieses Funkenplasma existiert bei unglaublich hohen Temperaturen von 10,000 ° C (18,032° F), wodurch potenzielle Oxidation oder Verunreinigungen auf den Partikeloberflächen verdampfen. Die Oberflächen der Partikel werden ebenfalls erhitzt, wodurch diese Bereiche schmelzen und zu Strukturen, den sogenannten Hälsen, verschmelzen. Im Laufe der Zeit entwickeln sich die Hälse zu den Zwischenräumen und erhöhen die Gesamtfeststoffdichte des Materials in einigen Fällen auf über 99%.
Zu den Vorteilen des Spark-Plasma-Sinterverfahrens zählen kurze Fertigstellungszeit, niedrige Betriebskosten, breites Anwendungsspektrum sowie gute Gefüge- und Materialergebnisse. Aufgrund der Natur des Prozesses dauert das Spark-Plasma-Sintern im Allgemeinen weniger als 20 Minuten. Auch die Kosten sind bei dieser Technologie in der Regel geringer, da der pulsierende Strom keine hohe Spannung benötigt und der Prozess nicht lange dauert. Diese kurze Zykluszeit, gepaart mit den geringen Kosten, macht den Prozess für eine Vielzahl von Anwendungen effizient.
Spark-Plasma-Sintern kann viel höhere Dichten ergeben als viele andere Sinterverfahren, was es ideal für Materialien macht, bei denen eine hohe Feststoffdichte erwünscht ist. Dieses Verfahren kann sowohl für Isolatoren als auch für Leiter verwendet werden, was mehr mögliche Sintermaterialien eröffnet. Die Präzision des Erwärmungsprozesses macht das Spark-Plasma-Sintern auch auf Nanostrukturen wie Kristalle anwendbar, die gesintert werden können, ohne ihre strukturelle Integrität zu verlieren.
Die Tatsache, dass das Funkenplasma in der Lage ist, intensive Hitze aus dem Inneren eines Materials zu erzeugen und nicht von außen, führt zu mehreren vorteilhaften Ergebnissen. Zunächst wird die Gefahr einer Erwärmung des Partikelinneren minimiert, da nur die Oberflächen der Partikel erwärmt werden. Zweitens bedeutet die Art der Erwärmung, dass das Material auf einmal gleichmäßig erwärmt wird, wodurch die strukturelle Integrität und Gleichmäßigkeit der Dichte durchgängig erhöht wird. Drittens ermöglicht das Verfahren eine bessere Kontrolle verschiedener Bedingungen, einschließlich Druck, Hitze und Kühlung, was letztendlich zu einer besseren Kontrolle der Materialdichte führt.