铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制_陈维平

γ γ ｓ ｓ ｌ ｇ－ γ ｌ ｇ
（ ） １
／气界面 能 即 固 相 表 面 能 ； ／液 界 面 式中 ， γ γ ｓ ｓ ｌ为 固 ｇ为固 ／气界面能即铝液的表面张力 。 能； γ ｌ ｇ为液 ） 由式 （ 可以看出 ， 要增加颗粒与铝熔体的润湿性 ， １ 就要 增 大 γ 减 小γ ｓ ｓ ｌ和 γ ｌ ｇ， ｇ。 当 液 滴 与 固 体 表 面 接 触 时， 原来 的 固 －气 界 面 和 液 －气 界 面 部 分 被 固 －液 界 面 代 替 。 而只有当这一过程系统总的自由能降低时 ， 液体才 会在固体表面铺展 。 液 －固两相之间的结合力称为粘附功 ， 用 Ｗａ 表示 ：
铝液的氧化很难 避 免 。 稳 定 致 密 的 Ａ ｌ ２Ｏ ３ 薄膜包覆在 阻碍铝液与 颗 粒 之 间 的 直 接 接 触 ， 影响铝熔 铝液表层 ， 体与颗粒的润湿 。 在一定的条件下 ， 铝液表面的氧化物 当Ａ 可以与 铝 液 反 应 生 成 气 态 的 Ａ ｌ ｌ ２Ｏ， ２Ｏ 的 输 出 流 ， 大于氧气的输入流 表面氧化物可以被去除 。 因此铝液 表面的氧化膜的厚 度 主 要 受 式 （ 和式（ 的反应速率 ４） ５） 的影响 ：
（ ） ２
液体 愈 容 易 润 湿 固 体 ， 液、 固界面结合 Ｗａ 值越大 ， ） ） 强度越高 。 将式 （ 和式 （ 联立可以得到 ： １ ２
Ｗａ ＝γ １＋ｃ ｏ ｓ θ） ｌ ｇ（
（ ） ３
） 可以看出 ， 固 －液界面结合强度取决于接触 ３ 由式 （ 角和铝液表面张力 ， 接触角越小 ， 铝液表面张力越大 ， 界 面结合强度越大 。 良好的润湿可以增强固 －液两相的界
１ 润湿性
润湿性 ， 即液体在固体表面上铺展的能力 ， 表示固－ 液两相之间紧密接触的程度 。 图 １ 为液 －固接触润湿角 的示意图 。 接触 角θ 小 则 润 湿 性 好 、 大 则 润 湿 性 差， 完 全润湿时θ＝０， 当θ＜９ 时表示润湿 。 ０ °
Ｗａ ＝γ γ γ ｌ ｓ ｓ ｌ ｇ＋ ｇ－
３ １ ６
铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制 陈维平 等 结合 。 物理结合强度很低 ， 而化学结合的强度较高 。 当 存在界面反应时 ， 化学 结 合 起 主 导 作 用 ， 提供了大部分 的界面结合能 。 因此 ， 为 了 获 得 较 好 的 界 面 结 合 质 量， 通常需要在固 －液界面引入适量的化学反应 。 逐渐生成气态的 Ａ 二者综合作用使铝液表面的氧 ｌ ２Ｏ， 化膜逐渐变薄最终破裂 。 ２． ２ 合金成分的影响 、 、 、 、 添加活性元素如 Ｌ 可以降低铝 ｉ Ｍ Ｃ ａ Ｔ ｉ Ｚ ｒ等 ， ｇ 液的表面张力和固 －液界面能 ， 引起界面化学反应 ， 因此
（ ） ＋３ ） →２ ） Ｏ ４ Ａ ｌ Ａ ｌ ｌ ２（ ２Ｏ ３（ ｇ ｇ （ ）＋ Ａ ） →３ （ ） ４ Ａ ｌ Ａ ｌ ｌ ｌ ２Ｏ ３（ ２Ｏ ｇ ｇ ［ １］ 温度低于 ８ Ｎ Ｋ 等 发现 ， ０ ０ ℃时， Ａ ｌ Ｎ 表面 ＨＯ 的氧化物与铝熔滴反 应 生 成 一 层 氧 化 物 使 其 表 面 失 去
（ ） ４ （ ） ５
图 ３ ９ ７ ３ Ｋ 下 不同 合金 元素 对 铝液表 面 张力 的影响
２． ３ 陶瓷表面状态的影响 陶瓷表面的杂质会降低颗粒的表面自由能 ， 从而影 响其润湿性 。 有研究 者 尝 试 通 过 陶 瓷 表 面 氧 化 改 善 其 但结论有所不同 ： 一种认为可以增加润湿性 ， 颗 润湿性 ， 粒表面的氧化层 可 以 与 铝 合 金 液 中 的 Ｍ ｇ元素反应生 成Ｍ 一方面可以降低界面结合 Ａ ｌ Ｍ Ｏ 等 产 物， ｇ ｇ ２Ｏ ４、 另一方面细小的反应产物均匀附着在颗粒表面阻止 能，
－４ ４ 氧分压为 １ ０ Ｐ ａ 时就会被氧化 。 如果没有特殊处理 ，
性， 添加的合金元素 Ｍ 必须满足两个条件 ： ① 可以降低 即 γＭ ＜γＡ 铝液的 表 面 张 力 ， ②Ｍ 的氧化物的吉布斯 ｌ； 生成 自 由 能 比 Ａ 即 Δ ｌ Ｇ（ ＭｘＯ Ｇ ＜Δ ２Ｏ ３ 更 负， ｙ） （ 。图３ 给 出 了 不 同 合 金 元 素 对 铝 液 表 面 张 力 Ａ ｌ ２Ｏ ３） 的影响 。 可 以 看 到 ， Ｍ ｇ可以明显降低铝液的表面张 力。
图 １ 液 －固 接 触 润湿角 的 示意 图
面 结 合 强 度， 因 此 有 利 于 提 高 复 合 材 料 的 力 学 性 能。 固 －液两相界面主 要 有 两 种 Fra Baidu bibliotek 合 机 制 ： 物理结合和化学
； 收稿日期 ： 修改稿收到日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ５ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ ６ － － － － 基金项目 ： 教育部重点实验室培育项目 ， ： 第一作者简介 ： 陈维平 ， 男， 教授 ， 华南理工大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ， 广州（ 电 话： １ ９ ５ ９ 年出生 ， ５ １ ０ ６ ４ ０） ０ ２ ０－８ ７ １ １ ３ ８ ３ ２， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ｅ ｗ ｃ ｈ ｅ ｎ＠ｓ ｃ ｕ ｔ ． ｐ ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
Ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ Ａ ｌ ｌ ｏ Ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｙ ｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｍ ｏ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ Ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ
［］ 可以 提 高 其 润 湿 性 。Ｌ 为了增加润湿 Ｉ Ｄ Ｘ 等 ２ 认 为，
２ 影响 润湿性 的 因素
铝液对增强颗粒的润湿性有 ３ 个方面的影响因素 ， 一是来自铝液的影响 ， 如 合 金 成 分、 铝液表面的氧化膜 等； 二是来自 增 强 颗 粒 的 影 响 ， 如 颗 粒 表 面 的 气 体、 杂 质、 颗粒表面涂层等 ； 三 是 制 备 工 艺 的 影 响， 如 气 氛、 温 机械搅拌和超声波振动等 。 度、 ２． １ 铝合金熔体表面氧化物的影响 铝对氧的吸附性 很 强 ， 当温度为９ 铝液在 ７ ３ Ｋ 时，
认为颗粒氧化对润湿性有反作用 ， 颗粒表面的氧化物在 润湿过程中为铝液的氧化提供了氧源 ， 反应生成致密的
４］ 。研究结论的差异 氧化膜阻碍了铝 液 对 颗 粒 的 润 湿 ［
可能与铝合金基体 中 的 合 金 元 素 和 温 度 有 关 。 刘 俊 友
Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｗ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｔ ａ ｎ Ｙ ｏ ｕ ｈ ｕ ｉ ｐ ｇ， （ ， ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ ： ， ｏ ｏ ｒ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｉ ｔ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｏ ｆ ｐ ｙ ｙ ｙ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ － ｐ ｇ ｙ ｙ ｐ ， ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ａ ｓ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｅ ｄ ｅ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｆ ｏ ｃ ｕ － ｙ ｙ ｐ ｙ ， ， ｓ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｍ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ ａ ｌ ｌ ｏ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｉ ｌ ｍ ｏ ｆ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ｍ ｅ ｌ ｔ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｇ ｙ ｐ ， ， ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｍ ｅ ｗ ａ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ． ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ ： ，Ｗ ， ， Ｋ ｅ Ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ Ｍ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ Ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｙ ｐ ｙ 高弹性模量 、 陶瓷／铝基复合材料具有高的比强度 、 低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能 ， 被广泛应用于 汽车制造 、 电 子 封 装 等 领 域。 复 合 材 料 的 制 航空航天 、 备及其性能在很大程 度 上 取 决 于 基 体 与 增 强 体 之 间 的 铝熔体表面的氧 润湿性和界面结合情况 。 铝合金成分 、 化膜 、 陶瓷表面状态及制备工艺等对润湿性能有重要的 的影响 。 本课题对国 内 外 提 高 铝 合 金 熔 体 与 陶 瓷 增 强 体润湿性能的工艺进行了分析讨论 。 固 －液平衡时 ， 接触角θ 满足杨氏方程 ： ｃ ｏ ｓ θ＝
综 述
特种铸造及有色合金 ２ ０ １ ３ 年第 ３ ３ 卷第 ４ 期
铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制
陈维平 谭幽辉 （ 华 南 理 工大学 机械 与 汽车 工程学院 ）
摘 要 铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性通常较差 ， 提高铝合金熔体对陶瓷增强体的 润 湿 性 能 是 制 备 高 性 能 陶 瓷／铝 基 着 重 分 析 讨 论 了 铝 合 金 成 分、 铝熔体表面的氧化 复合材料的关键 。 综述了铝合金熔体对陶 瓷 增 强 体 润 湿 性 的 研 究 现 状 ， 膜、 陶瓷表面状态及制备工艺等对润湿性能的影响 ， 介绍了一些现有提高其润湿性能的工艺方法 。 关键词 铝基复合材料 ； 润湿性 ； 表面张力 ； 界面 （ ） 中图分类号 Ｔ Ｇ １ ４ ６． ２ １； Ｔ Ｂ ３ ３ ３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－２ ２ ４ ９ ２ ０ １ ３ ０ ４－０ ３ １ ６－０ ４
３］ ； 了严重界面反应的发生和脆性相的产生 ［ 另一种观点
在接触面 金属光泽 。 在 ８ ５ ０ ℃下铝熔滴接触 Ａ ｌ Ｎ 后， ， 附近形成一层模糊的气层 （ 随 着 时 间 延 长， 气层 Ａ ｌ ２Ｏ） 逐渐消失并且发生润湿 ， 见图 ２。 铝液表 面 氧 化 膜 的 厚 度取决于合金成分 ， 氧 分 压 和 温 度 等 因 素。 温 度 升 高， 铝液 对氧 气 的 溶 解 度 增 加 ， 同时表层氧化膜通过式（ ５）