火花電漿燒結技術於熱電材料開發之應用：材料世界網

燒結技術其實是一項具有幾千年歷史的工藝技術，在西元前的兩河流域遠古文化，就懂得將黏土放入爐窯中進行加熱固化，而這就是燒結技術最初始的起緣。直至1920~1950年，燒結技術才由工藝技術成為固態的研究學科，利用質傳機制(Mass Transport)進行固結(Consolidation)基本現象的研究。

由於增加一道製作金屬粉體的手續，故粉末冶金製程的成本較高，但對熔點過高、組成元素熔點差異過大、鑄造性較差等合金，或無法採用熔鑄製程，但有高附加價值的材料，使用粉末冶金燒結，具有製程溫度低、燒結緻密性高、燒結時間短等優勢，因此在價格因素外，仍具有相當高的競爭力。利用粉末燒結技術進行先進材料開發，日本及歐美國家都已積極投入前瞻的製程技術及機台設備。為了強化燒結結果，在傳統的燒結製程中加入電流進行輔助。

火花電漿燒結基本特性
SPS製程利用脈衝式直流電流，反覆對材料進行瞬間高電流通電，因此在顆粒與顆粒間放電，如圖一所示，由於顆粒間接觸面積極小，因此可以產生局部高溫，在空隙中產生等離子(Ionized)，縮小的顆粒間隙有利於表面擴散及邊界缺陷（或原子）擴散，因此粉末顆粒界面互相熔融結合，完成粉末冶金燒結之製程。由於燒結能量高，因此可大幅縮短持溫時間，且高溫僅發生在顆粒表面區域，因此顆粒內部之晶粒並不會成長，可有效控制燒結體的晶粒大小，有利於進行具微結構的高緻密性材料燒結。另外，此項技術結合粉末成形和燒結於單一製程，不需要預先成形，也不需要任何添加劑和黏結劑。

影響燒結後材料特性的主要參數為溫度梯度、電流密度、材料導電性、模具壁面厚度、電流型式、加熱速率、持溫時間、燒結壓力。因此，利用火花電漿燒結之低溫、時間短的特性，可以大幅降低製程耗能，並提升材料製程速度。以碲化鉍(Bismuth Telluride)材料燒結製程為例，燒結溫度低於400°C，持溫時間約為10分鐘，即可獲得達理論密度99%以上的奈米結構熱電塊材。一般以熔煉製程製作的碲化鉍材料，熔煉溫度約為550°C以上，製程時間超過1小時，且無法於材料中形成奈米結構。由於火花電漿燒結技術，以高能球磨混合材料進行奈米化，因此燒結後的材料均勻性優於熔煉製程的材料，可大幅減少材料耗損，進而降低開發成本。

圖一、SPS燒結機制示意圖

工研院於SPS技術發展現況
工研院綠能所於2007年開始建置機械球磨及火花電漿燒結的製備技術，進行具奈米結構的高效率熱電複合塊材技術開發，所開發的材料系統包含碲化鉍合金、鉛碲合金、高熵合金等材料系統。

本研究以攪拌磨機(Attritor)針對熱電材料進行球磨細化後以SPS燒結，以無摻雜的PbTe合金為例，球磨後顆粒大小分布約為2~10 μm，X-ray繞射分析計算得知平均結晶子大小為 41 nm。以燒結溫度300~400°C、燒結壓力50 MPa火花電漿燒結製程進行熱電塊材的製作。相鑑定分析如圖四所示，無論是燒結前的粉末或是以300°C及400°C燒結而成的塊材，於X-ray繞射分析圖上均顯現為單一結晶相，並無其他雜相的產生。燒結後的PbTe塊材微觀結構如圖五所示，其晶粒大小分布為 80~1,000 nm之間，隨著燒結溫度提升至400°C時，晶粒大小因燒結溫度的提高而成長至 1 μm以上，燒結體相對密度均大於99%。

表一為原塊材及各燒結塊材之室溫熱電性質整理。研究結果顯示，原塊材球磨後，再以300°C的溫度進行火花電漿燒結的熱電塊材，載子濃度下降為1.45E +18，致使電傳導大幅下降，然而因微結構中具有為數不少的奈米晶粒，Seebeck Coefficient由原先的 2.4 μV/K大幅提升至 268 μV/K，熱傳導率亦由 8.35 W/mK 大幅下降至1.15 W/mK…以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文

圖四、PbTe粉末及以SPS燒結至300°C、400°C的塊材結晶相分析