金属／陶瓷复合材料润湿性的研究

金属/陶瓷复合材料润湿性的研究

摘要：研究金属对陶瓷的润湿性对开发新型金属/陶瓷体系，探寻和发展材料的制备技术有重大的意义。制备高性能金属/陶瓷复合材料有着重要的现实意义。本文从陶瓷/金属的润湿现象、机理及其分类出发，介绍了润湿性研究的实验研究方法，并探讨改善润湿性的途径。

关键词：金属／陶瓷复合材料；润湿性；接触角；粘附功

一．润湿现象

润湿是固体表面的气体被液体取代的过程。在复合材料的制备过程中，只要涉及液相与固相的相互作用，必然就有液相与固相的润湿问题。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的润湿性如何直接影响到界面黏结强度。润湿性表示液体在固体表面上的铺展程度。优良的润湿性意味着液体在固体表面上铺展开来覆盖整个增强材料的表面。按热力学的条件，只有体系自由能减少时，液体才能铺展开来，即

因此，铺展系数SC[1]被定义为

当铺展系数SC>0时，才会润湿，根据力学平衡，可得：

式中，θ为接触角。

由θ可以知道润湿程度。θ=0°时，金属熔液会在基体上完全的铺展开；θ=180°时，熔滴呈圆球状，只与基体表面形成点接触，称其为完全不润湿；0°90°时则称为不润湿，液相对固体的粘着性较差。对于一个特定的系统，接触角θ会随温度、保温时间、吸附气体等而变化。润湿过程可按顺序分为沾湿、浸湿、铺展三个阶段。对于一个固定的系统，沾湿过程的铺展力最大，最容易进行，属于最低层次的润湿；铺展过程的铺展力最小，属于最高层次的润湿。润湿性好的液体将尽力覆盖更多的固-气界面，直至完全平铺固体表面，润湿性差的液体的润湿过程将终止于较大的平衡接触角。金属/陶瓷的润湿性对金属基复合材料的生产有重要的意义。

图1.1润湿性示意图

二．润湿性分类

根据金属/陶瓷的结合情况，液态金属对陶瓷的润湿过程可分为非反应润湿和反应润湿[2-5]。对于非反应润湿体系，界面润湿过程不发生化学反应，润湿过程仅仅依靠扩散力和范德华力来完成,润湿性一般比较差，通常非反应润湿过程是一个很迅速的过程，在很短时间内就能达到各项平衡状态，与温度没有太大关系，但与陶瓷的金属性和位向及合金元素的加入有很大的关系。液态金属能否在固相陶瓷表面润湿取决于液态金属的表面张力。相比较而言，反应润湿过程伴随着不同程度的界面化学反应，润湿作用主要通过界面反应形成界面产物来实现。界面产物的生成使润湿过程在一层具有良好的润湿性能的中间层上进行，从而很大程度上改善了润湿效果。由于润湿过程中伴随着界面化学反应，反应润湿一般需要一个较长的时间过程，同时随着时间的持续接触角会逐渐的减小。另外，反应润湿随着活性元素的加入以及润湿温度的提高而粘结功增大，润湿性提高。

三．润湿性的实验方法

润湿性对于金属/陶瓷复合材料的生产是十分重要的,但评定润湿性好坏十分困难,尤其对反应性润湿。所以目前已发展了许多技术进行润湿性的测定。

1.座滴法

传统测量金属/陶瓷润湿性的方法是座滴法。它将所需检测的金属块放置在陶瓷基体上，通过高温加热使金属块熔化，冷却后测量接触角θ和金属液滴的形状从而测出金属与陶瓷基体间的润湿性。

2.微滴法

由于座滴法对易氧化的金属及存在界面反应的体系, 测量精度不高。它是通过在陶瓷基体表面上蒸发或喷溅一层金属沉积层，在高温、高真空条件下促使金属层熔化，在陶瓷基体表面形成金属液滴，在测量接触角。这种方法可以很好的反映出润湿过程中界面反应，在液滴形成和凝固收缩后，如果润湿过程中发生了界面反应，就可以通过陶瓷基体表面上留下的反应产物分析界面反应。

3.浸入法

侵入法可以更精确地反映出润湿的动力学特性。它是将陶瓷制成的圆盘或圆柱浸入到熔融的金属熔液中，通过称量陶瓷的质量，记录近似于陶瓷边缘的弯曲形状，测量σLV和接触角θ,从而得出陶瓷与金属液之间的润湿性。

4.毛细压力法

毛细压力法是通过金属液体在固体( 陶瓷) 中的渗透来测定金属/ 陶瓷的润湿性。

但是毛细压力法存在以下缺陷:

（1）Sf的测量是比较困难的；

（2）不同颗粒的表面各不一样，从而金属/陶瓷的润湿是一个渐近的过程，使得压力的测定比较困难。

这些缺陷的存在，很大程度上限制了毛细压力法的广泛应用。

四．金属-陶瓷润湿性改善的主要方法

随着对金属/陶瓷的润湿性的深入研究，目前已有许多技术可以提高金属/陶瓷的润湿性,进而提高复合材料的综合性能。

1. 增强体表面预处理

未预处理的增强体表面吸附有气体和杂质，阻止了金属液与增强体的润湿。对增强体通过适当的高温烘焙来改变表面状态，从而提高润湿行为的作用。

2. 提高润湿过程中的温度

通过升高润湿过程中的温度降低界面的接触角。在一定温度范围内，温度的升高可以有效的改善金属与陶瓷的润湿性，主要是由于温度的升高使金属溶液的表面能快速的降低，同时温度的升高会破坏金属表面的氧化膜，从而润湿性显著地提高。

3. 添加合金元素

合金元素的加入可以降低液态金属表面张力和固-液界面能；同时合金元素会引起界面反应，形成新的界面产物，从而可以很大程度上改善金属与陶瓷间的润湿性，是目前作为改善金属/陶瓷润湿性方面研究和应用的最广泛地技术之一。

4. 增加表面涂层技术

陶瓷表面的金属涂层或经表面处理后可以提高固体的表面能, 用新形成的金属/ 陶瓷界面代替原来结合性不好的界面, 从而提高了润湿性。Ni和Cu是最常用的金属涂层材料。

结束语

随着科学技术的不断发展，对材料的性能提出更高的要求。研究金属对陶瓷

的润湿性对开发新型金属/陶瓷体系，探寻和发展材料的制备技术有重大的意义。制备高性能金属/陶瓷复合材料有着重要的现实意义。

参考文献：

[1] 陶杰，赵玉涛，潘蕾等.金属基复合材料制备新技术导论[M].北京：化学工业出版，2007:220-225.

[2] 李菊，宫本奎，孙全胜.金属/陶瓷的润湿性[J].山东冶金，2007,29 (6):6-9.

[3] 陈康华，包崇玺，刘红卫.金属/陶瓷润湿性研究的综述[J].材料导报，1997,11(2):1-5.

[4] 张一兵，杨家军.金属/陶瓷的选材及其润湿性[J].煤矿机械，2005,3:20-21.

[5] 陈名海，刘宁，刘育东.金属/陶瓷润湿性的研究现状[J].硬质合金，2002,19(4):199-205.

作者：韩璐（1988—），女(汉)，陕西省宝鸡市，长安大学材料科学与工程学院，硕士研究生，研究方向：材料学.