铝_镁基复合材料的润湿性探究
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Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｔｈｅ ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｅ ｔａ ｌ ｍａ ｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｅ ｓ （ＭＭＣｓ ） ａ ｎｄ ｉｔｓ ｅ ｆｆｅ ｃｔ ｏｎ ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｗｅ ｒｅ ｉｎｖｅ ｓ ｔｉｇａ ｔｅ ｄ． Ｔｈｅ ｃｈａ ｒａ ｃｔｅ ｒｉｓ ｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅ ｔａ ｌ ｍｅ ｌｔ ｗｅ ｔｔｉｎｇ ｒｅ ｉｎｆｏｒｃｅ ｍｅ ｎｔｓ ｓ ｕｃｈ ａ ｓ Ｓ ｉＣ， Ａｌ２Ｏ３ ａ ｎｄ Ｇｒ（Ｃ） ｐａ ｒｔｉｃｌｅ ｓ ｏｒ ｆｉｂｒｅ ｓ ｗｅ ｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｄ ｉｎ ｄｅ ｔａ ｉｌ， ａ ｎｄ ｔｈｅ ｍｅ ａ ｓ ｕｒｅ ｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓ ｅ ｍｅ ｔａ ｌ ｍａ ｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｅ ｓ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍｓ ｗｅ ｒｅ ｃｌａ ｒｉｆｉｅ ｄ． Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓ ｉｏｎ， ｃｏｍｐｒｅ ｈｅ ｎｓ ｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｏｎ ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ ｗａ ｓ ｓ ｈｏｗｎ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ； ａ ｌｕｍｉｎｕｍ ＭＭＣｓ ； ｍａ ｇｎｅ ｓ ｉｕｍ ＭＭＣｓ
众所周知， 提高熔融金属的渗透压力可以克服增 强纤维预制块或颗粒间的毛细阻力， 改善熔融金属对 增强纤维预制块或颗粒的表面润湿。但目前关于浸渗 压力与润湿性之间定量关系的研究未见报道。 ２．５ 机械搅拌
Ｈａｓｈｉｍ和Ｗ．Ｚｈｏｕ等 人［１， １２］研 究 了 用 搅 拌 铸 造 制 备 铝 基复合材料并收到了好的效果。他们强调， 当基体合 金处于完全液态时， 机械搅拌对改善润湿性是无效的， 即搅拌必须在凝固过程中进行。搅拌时的凝固时间越 短， 陶瓷颗粒或短纤维被润湿的比例越大， 为了使处 于凝固阶段的熔融金属和陶瓷颗粒或短纤维形成的浆 料能够正常浇注到型腔中， 搅拌后必须把浆料快速重 熔到液体状态并尽快完成浇注。但是他们对搅拌提高 润湿性的机理研究得还不够。Ｈａｓｈｉｍ［４］强调， 常常不被 充分认识或报道的混合时间也是接触角的一个重要参 数。因为加工过程影响到界面能的平衡， 而这个过程 又与时间有关， 因此在某种特定条件下， 如果加工时 间短， 颗粒或纤维或许不被润湿， 但随着时间的延长， 这 些 颗 粒 或 纤 维 就 会 被 润 湿 。Ｋｏｈｌｅｒ和Ｈａｌｖｅｒｓｏｎ分 别 在９８０ ℃和９００ ℃时观察到了ＳｉＣ／Ａｌ体系的接触角随时 间 近 乎 线 性 减 小 的 规 律［４］。 ２．６ 提高熔融金属的渗透温度
后者是润湿的障碍［４］。 ２．３ 基体金属中添加表面活性元素
研究表明， 适当的合金元素可通过减小熔融金属的 表面张力和液／固界面张力， 或减弱或抑制液／固界面上 的 反 应 而 改 善 熔 融 金 属 对 增 强 体 表 面 的 润 湿 性［３， ９］。 理 论 和试验证明， 促进润湿的金属多半属于化学活性较强的 金属， Ａｌ－Ｍｇ合金中Ｍｇ就有促进反应润湿的作用。
摘要： 阐明了金属基复合材料的润湿性概念及其对力学性能的影响， 详细介绍了分别以ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３和Ｇ（ｒ Ｃ） 颗粒或纤维
为增强体的铝、镁基复合材料制备过程中熔融基体金属对增强体的润湿特点， 并针对每一种复合材料体系提出了改善 润湿性的措施。最后， 提出了自己对润湿性的理解。
关键词： 润湿性； 铝基复合材料； 镁基复合材料 中图分类号： ＴＢ３３３； ＴＧ１４６．２＋１； ＴＧ１４６．２＋２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００６） ０９－ ０９１１－ ０５
２ 改善润湿性的方法
２．１ 陶瓷表面涂层处理 一般来说， 陶瓷颗粒和纤维等不容易被熔融金属
润湿。而熔融金属却几乎总能润湿固态金属， 并在相 互间能互溶或有金属间化合物形成时其润湿性最好。 如果在这些陶瓷颗粒或纤维表面涂覆一层可被润湿的 金属或金属间化合物， 就可间接地被熔融金属所润湿。 涂 层 处 理 方 式 主 要 有 化 学 蒸 镀 （ ＣＶＤ） 、 等 离 子 蒸 镀 （ ＰＶＤ） 、电镀、粘 固、离子溅射和溶胶－ 凝 胶 法 等［４］。 若增强体颗粒或纤维用ＳｉＯ２作粘结剂制做预制块， ＳｉＯ２ 同样起到了金属涂层的作用， 该涂层与熔融金属基体 间的润湿属于反应性润湿。增强体表面涂层能够促进 反应润湿的主因是， 在液体和涂层界面上的反应产物 的自由能能导致液固界面能和接触角的临时降低， 使 增强体与熔融金属基体之间密切接触， 进而产生适度 有益的化学反应。 ２．２ 陶瓷表面氧化处理
１ 关于润湿性
根据陶瓷／金属的界面结合情况， 熔融金属对陶瓷 的润湿过程可 分为非反应性润湿 （ 物 理作用） 和 反 应
性润湿 （ 化学作用） 两类 。非反应性润湿是 指 界 面 润 湿过程中不发生化学反应， 润湿过程的驱动力仅仅是 扩散力和范德华力。而反应润湿主要是通过界面反应 形 成 界 面 反 应 产 物 来 实 现 的 。Ｅｕｓｔａｔｈｏｐｏｕｌｏｓ等［２］就 金 属基复合材料界面反应润湿的动力学研究结果表明， 添加合金元素能使接触角减小， 其原因是这些合金元 素通过与增强体发生反应， 在界面上形成了一种连续 的化合物层。并指出相关反应体系的界面化学性质对 这层连续的化合物层的形成起着决定性的作用， 界面 反应的强度对此没有 影响。在高真空条件 下， 纯Ａｌ能 够润湿玻璃态的碳是由于在界面上形成了一层连续的 可润湿的微米级Ａｌ４Ｃ３膜。在对以扩散模式为主 导的润 湿性研究中， Ｅｕｓｔａｔｈｏｐｏｕｌｏｓ不认为晶体基底的晶 面取 向对体系的扩展参数有影响。
陶瓷颗粒或纤维等增强体的表面氧化处理的本质 既是对增强体表面的净化处理， 也是一种表面涂层处 理 。 是 增 强 体 直 接 参 与 了 涂 层 的 形 成— — — 自 身 被 氧 化 。 文 献［５］ 在 评 估 了ＳｉＣ颗 粒 表 面 的ＳｉＯ２连 续 膜 的 各 种 实 施 方 案 后 认 为 ， ＳｉＣ颗 粒 的 氧 化 处 理 可 生 成 连 续 均 匀 的 ＳｉＯ２反 应 膜 。该 隔 离 膜 又 与 铝 基 体 反 应 形 成 新 相 界 面 Ａｌ２Ｏ３具有更高的力学性能， 从而避免了Ａｌ４Ｃ３脆性相在 界 面 上 形 成 。Ｌａｕｒｅｎｔ［６］等 人 利 用 座 滴 法 试 验 也 得 出 了 相 似的结论。
基金项目： 华南理工大学自然科学基金项目 （ ３０５－Ｅ５０４０４４０） 。收稿日期： ２００６－ ０１－ ０１收到初稿， ２００６－ ０６－ １０收到修订稿。 作者简介： 刘贯军 （ １９６３－） ， 男， 河南禹州人， 副教授， 在读博士， 主要从事复合材料及其界面润湿性研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｇｕａｎｊ＠１２６．ｃｏｍ
干净的增强体表面可为增强体与熔融基体的相互 作用提供机会而增强润湿。超声波技术、不同的刻蚀 技术和在适当气氛中的增强体加热都能被用来净化增 强 体 表 面［４］。 增 强 体 颗 粒 或 纤 维 的 预 热 处 理 改 善 熔 融 基 体的润湿性， 已经被许多研究者所证实 。文献［７］早在 ２０年前就指出 ， 经预热过的石墨颗 粒能够相对 容 易 地 被加入到某种熔融铝合金中， 而未被预热的石墨颗粒 则漂浮在熔液上面。文献［８］认为， 加热ＳｉＣ颗粒到９００ ℃有助于清除颗粒表面杂质及所吸附的气体， 同时在 表面形成氧化层， 进而改善熔融铝合金对陶瓷颗粒的 润湿。这种措施完全不同于熔融基体表面的氧化层，
金属基复合材料以其低密度、高比强度、比刚度， 较好的耐磨性和耐高温等综合性能受到人们的青睐， 已 成为航空航天等部门发展高性能结构材料的一重要方向， 特别是铝基复合材料的研究在许多方面已相当成熟， 有 许多重要成果已经成功应用于国防和航空航天领域。在 民用方面， 日本丰田公司于１９８７年率先将氧化铝短纤维 铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞并取得了成功。
Ｉｎｖｅ ｓ ｔｉｇａ ｔｉｏｎ ｏｎ Ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ａｌ－Ｍｇ Ｍｅ ｔａ ｌ Ｍａ ｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｅ ｓ
ＬＩＵ Ｇｕａ ｎ－ｊｕｎ１， ２， ＬＩ Ｗｅ ｎ－ｆａ ｎｇ１， ＤＵ Ｊ ｕｎ１ （１．Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｓ ｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａ ｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１， Ｇｕａ ｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｈｅ ｎａ ｎ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉｎｘｉａ ｎｇ ４５３００３， Ｈｅ ｎａ ｎ， Ｃｈｉｎａ ）
反应性润湿不是完全的反应润湿， 要实现反应性 润湿， 增强体和熔融金属之间还必须先有适当的非反 应性润湿以便彼此密切 接触［２－３］。非反应性润湿 过程一 般进行得很快， 在很短时间内就能达到平衡， 且温度 和时间对润湿性影响不大， 因为非反应性润湿过程中 金属液滴在陶瓷基片上的展开过程是由黏性流动控制 的。而反应性润湿过程所用时间则较长， 这是因为界 面反应自身控制了液态金属的铺展而非黏性流动。
· ９１２ ·
ＦＯＵＮＤＲＹ
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Ｓｅｐ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．９
对于非反应性润湿， 常用熔融金属对陶瓷表面的 接触角来衡量润湿性。而对于反应性润湿， 人们也习 惯于用接触角来衡量。本文认为， 接触角不能全面而 恰当地反映反应性润湿的程度。但不可否认， 熔融金 属对陶瓷表面的接触角与金属基复合材料的性能确实 密切相关。然而， 复合材料制造过程中的主要困难就 是液态金属对陶瓷的不润湿本性。为了使金属基体与 陶瓷增强体很好地粘结， 必须改善熔融金属对陶瓷增 强体的润湿性。
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Ｓｅｐ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．９
!!!!!" 复合材料
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铸造
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铝、镁基复合材料的润湿性探究
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刘贯军１， ２， 李文芳１， 杜 军１ （ １． 华南理工大学机械工程学院１０５所， 广东广州 ５１０６４１； ２． 河南科技学院， 河南新乡 ４５３００３）
研究发现［４］， 对于铝基复合材料来说， 在改善增强 体与熔融基体的润湿性及增强体在熔融基体中的均匀 分布方面， 镁作为一种合金元素， 比Ｃｅ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ、 Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ等有 更 好 的 效 果 。文 献［１０］证 明 ， 在 采 用液态搅拌法制备ＳｉＣｐ／ＺＬ１０５复 合 材 料 时 ， Ｍｇ的 加 入 改 善 了 ＳｉＣ／Ａｌ 的 界 面 润 湿 性 和 ＳｉＣ 颗 粒 在 Ａｌ基 体 中 分 布的均匀性， 同时还能大大减轻ＳｉＣ颗粒在基体合金熔 体表面的漂浮现象。镁既是强表面活性剂， 也是强脱 氧剂， 能与增强体表面上的氧反应， 减薄其气体层， 改善润湿性， 减少增强颗粒或纤维结块趋势［８］。镁能促 使增强体表面的反应和在界面上形成新相减少固－ 液 界 面 能 ， 达 到 润 湿 界 面 的 目 的 。李 建 平 等 人［１１］研 究 表 明 ， 在Ａｌ－Ｍｇ基 复 合 材 料 中 ， 镁 与 增 强 体 和 液 态 铝 之 间的化学反应在界面上形成ＭｇＡｌ２Ｏ４层， 使熔融铝与增 强体间有好的润湿和粘结。 ２．４ 提高熔融金属的渗透压力
复合材料的综合力学性能好于基体。增强体固然 起着重要作用， 但决定其力学性能的却是增强体与金 属 基 体 之 间 界 面 的 结 构 和 性 能［１］。 在 金 属 基 复 合 材 料 中， 增强体的主要作用是支撑大部分的外加载荷， 而 基体的作用则是将分散的增强体连结起来以便将外加 载荷传递和分配给各增强体， 从而在整体上起到提高 金属基复合材料力学性能的作用。理想的界面可以有 效地传递和分配载荷从而使复合材料有更好的弹性模 量和强度。为了得到这种理想界面， 在金属基复合材 料的凝固过程中， 增强体被熔融金属基体润湿的能力 强弱是致关重要的。
众所周知， 提高熔融金属的渗透压力可以克服增 强纤维预制块或颗粒间的毛细阻力， 改善熔融金属对 增强纤维预制块或颗粒的表面润湿。但目前关于浸渗 压力与润湿性之间定量关系的研究未见报道。 ２．５ 机械搅拌
Ｈａｓｈｉｍ和Ｗ．Ｚｈｏｕ等 人［１， １２］研 究 了 用 搅 拌 铸 造 制 备 铝 基复合材料并收到了好的效果。他们强调， 当基体合 金处于完全液态时， 机械搅拌对改善润湿性是无效的， 即搅拌必须在凝固过程中进行。搅拌时的凝固时间越 短， 陶瓷颗粒或短纤维被润湿的比例越大， 为了使处 于凝固阶段的熔融金属和陶瓷颗粒或短纤维形成的浆 料能够正常浇注到型腔中， 搅拌后必须把浆料快速重 熔到液体状态并尽快完成浇注。但是他们对搅拌提高 润湿性的机理研究得还不够。Ｈａｓｈｉｍ［４］强调， 常常不被 充分认识或报道的混合时间也是接触角的一个重要参 数。因为加工过程影响到界面能的平衡， 而这个过程 又与时间有关， 因此在某种特定条件下， 如果加工时 间短， 颗粒或纤维或许不被润湿， 但随着时间的延长， 这 些 颗 粒 或 纤 维 就 会 被 润 湿 。Ｋｏｈｌｅｒ和Ｈａｌｖｅｒｓｏｎ分 别 在９８０ ℃和９００ ℃时观察到了ＳｉＣ／Ａｌ体系的接触角随时 间 近 乎 线 性 减 小 的 规 律［４］。 ２．６ 提高熔融金属的渗透温度
后者是润湿的障碍［４］。 ２．３ 基体金属中添加表面活性元素
研究表明， 适当的合金元素可通过减小熔融金属的 表面张力和液／固界面张力， 或减弱或抑制液／固界面上 的 反 应 而 改 善 熔 融 金 属 对 增 强 体 表 面 的 润 湿 性［３， ９］。 理 论 和试验证明， 促进润湿的金属多半属于化学活性较强的 金属， Ａｌ－Ｍｇ合金中Ｍｇ就有促进反应润湿的作用。
摘要： 阐明了金属基复合材料的润湿性概念及其对力学性能的影响， 详细介绍了分别以ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３和Ｇ（ｒ Ｃ） 颗粒或纤维
为增强体的铝、镁基复合材料制备过程中熔融基体金属对增强体的润湿特点， 并针对每一种复合材料体系提出了改善 润湿性的措施。最后， 提出了自己对润湿性的理解。
关键词： 润湿性； 铝基复合材料； 镁基复合材料 中图分类号： ＴＢ３３３； ＴＧ１４６．２＋１； ＴＧ１４６．２＋２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００６） ０９－ ０９１１－ ０５
２ 改善润湿性的方法
２．１ 陶瓷表面涂层处理 一般来说， 陶瓷颗粒和纤维等不容易被熔融金属
润湿。而熔融金属却几乎总能润湿固态金属， 并在相 互间能互溶或有金属间化合物形成时其润湿性最好。 如果在这些陶瓷颗粒或纤维表面涂覆一层可被润湿的 金属或金属间化合物， 就可间接地被熔融金属所润湿。 涂 层 处 理 方 式 主 要 有 化 学 蒸 镀 （ ＣＶＤ） 、 等 离 子 蒸 镀 （ ＰＶＤ） 、电镀、粘 固、离子溅射和溶胶－ 凝 胶 法 等［４］。 若增强体颗粒或纤维用ＳｉＯ２作粘结剂制做预制块， ＳｉＯ２ 同样起到了金属涂层的作用， 该涂层与熔融金属基体 间的润湿属于反应性润湿。增强体表面涂层能够促进 反应润湿的主因是， 在液体和涂层界面上的反应产物 的自由能能导致液固界面能和接触角的临时降低， 使 增强体与熔融金属基体之间密切接触， 进而产生适度 有益的化学反应。 ２．２ 陶瓷表面氧化处理
１ 关于润湿性
根据陶瓷／金属的界面结合情况， 熔融金属对陶瓷 的润湿过程可 分为非反应性润湿 （ 物 理作用） 和 反 应
性润湿 （ 化学作用） 两类 。非反应性润湿是 指 界 面 润 湿过程中不发生化学反应， 润湿过程的驱动力仅仅是 扩散力和范德华力。而反应润湿主要是通过界面反应 形 成 界 面 反 应 产 物 来 实 现 的 。Ｅｕｓｔａｔｈｏｐｏｕｌｏｓ等［２］就 金 属基复合材料界面反应润湿的动力学研究结果表明， 添加合金元素能使接触角减小， 其原因是这些合金元 素通过与增强体发生反应， 在界面上形成了一种连续 的化合物层。并指出相关反应体系的界面化学性质对 这层连续的化合物层的形成起着决定性的作用， 界面 反应的强度对此没有 影响。在高真空条件 下， 纯Ａｌ能 够润湿玻璃态的碳是由于在界面上形成了一层连续的 可润湿的微米级Ａｌ４Ｃ３膜。在对以扩散模式为主 导的润 湿性研究中， Ｅｕｓｔａｔｈｏｐｏｕｌｏｓ不认为晶体基底的晶 面取 向对体系的扩展参数有影响。
陶瓷颗粒或纤维等增强体的表面氧化处理的本质 既是对增强体表面的净化处理， 也是一种表面涂层处 理 。 是 增 强 体 直 接 参 与 了 涂 层 的 形 成— — — 自 身 被 氧 化 。 文 献［５］ 在 评 估 了ＳｉＣ颗 粒 表 面 的ＳｉＯ２连 续 膜 的 各 种 实 施 方 案 后 认 为 ， ＳｉＣ颗 粒 的 氧 化 处 理 可 生 成 连 续 均 匀 的 ＳｉＯ２反 应 膜 。该 隔 离 膜 又 与 铝 基 体 反 应 形 成 新 相 界 面 Ａｌ２Ｏ３具有更高的力学性能， 从而避免了Ａｌ４Ｃ３脆性相在 界 面 上 形 成 。Ｌａｕｒｅｎｔ［６］等 人 利 用 座 滴 法 试 验 也 得 出 了 相 似的结论。
基金项目： 华南理工大学自然科学基金项目 （ ３０５－Ｅ５０４０４４０） 。收稿日期： ２００６－ ０１－ ０１收到初稿， ２００６－ ０６－ １０收到修订稿。 作者简介： 刘贯军 （ １９６３－） ， 男， 河南禹州人， 副教授， 在读博士， 主要从事复合材料及其界面润湿性研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｇｕａｎｊ＠１２６．ｃｏｍ
干净的增强体表面可为增强体与熔融基体的相互 作用提供机会而增强润湿。超声波技术、不同的刻蚀 技术和在适当气氛中的增强体加热都能被用来净化增 强 体 表 面［４］。 增 强 体 颗 粒 或 纤 维 的 预 热 处 理 改 善 熔 融 基 体的润湿性， 已经被许多研究者所证实 。文献［７］早在 ２０年前就指出 ， 经预热过的石墨颗 粒能够相对 容 易 地 被加入到某种熔融铝合金中， 而未被预热的石墨颗粒 则漂浮在熔液上面。文献［８］认为， 加热ＳｉＣ颗粒到９００ ℃有助于清除颗粒表面杂质及所吸附的气体， 同时在 表面形成氧化层， 进而改善熔融铝合金对陶瓷颗粒的 润湿。这种措施完全不同于熔融基体表面的氧化层，
金属基复合材料以其低密度、高比强度、比刚度， 较好的耐磨性和耐高温等综合性能受到人们的青睐， 已 成为航空航天等部门发展高性能结构材料的一重要方向， 特别是铝基复合材料的研究在许多方面已相当成熟， 有 许多重要成果已经成功应用于国防和航空航天领域。在 民用方面， 日本丰田公司于１９８７年率先将氧化铝短纤维 铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞并取得了成功。
Ｉｎｖｅ ｓ ｔｉｇａ ｔｉｏｎ ｏｎ Ｗｅ ｔｔａ ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ａｌ－Ｍｇ Ｍｅ ｔａ ｌ Ｍａ ｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｅ ｓ
ＬＩＵ Ｇｕａ ｎ－ｊｕｎ１， ２， ＬＩ Ｗｅ ｎ－ｆａ ｎｇ１， ＤＵ Ｊ ｕｎ１ （１．Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｓ ｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａ ｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１， Ｇｕａ ｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｈｅ ｎａ ｎ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉｎｘｉａ ｎｇ ４５３００３， Ｈｅ ｎａ ｎ， Ｃｈｉｎａ ）
反应性润湿不是完全的反应润湿， 要实现反应性 润湿， 增强体和熔融金属之间还必须先有适当的非反 应性润湿以便彼此密切 接触［２－３］。非反应性润湿 过程一 般进行得很快， 在很短时间内就能达到平衡， 且温度 和时间对润湿性影响不大， 因为非反应性润湿过程中 金属液滴在陶瓷基片上的展开过程是由黏性流动控制 的。而反应性润湿过程所用时间则较长， 这是因为界 面反应自身控制了液态金属的铺展而非黏性流动。
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对于非反应性润湿， 常用熔融金属对陶瓷表面的 接触角来衡量润湿性。而对于反应性润湿， 人们也习 惯于用接触角来衡量。本文认为， 接触角不能全面而 恰当地反映反应性润湿的程度。但不可否认， 熔融金 属对陶瓷表面的接触角与金属基复合材料的性能确实 密切相关。然而， 复合材料制造过程中的主要困难就 是液态金属对陶瓷的不润湿本性。为了使金属基体与 陶瓷增强体很好地粘结， 必须改善熔融金属对陶瓷增 强体的润湿性。
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铝、镁基复合材料的润湿性探究
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刘贯军１， ２， 李文芳１， 杜 军１ （ １． 华南理工大学机械工程学院１０５所， 广东广州 ５１０６４１； ２． 河南科技学院， 河南新乡 ４５３００３）
研究发现［４］， 对于铝基复合材料来说， 在改善增强 体与熔融基体的润湿性及增强体在熔融基体中的均匀 分布方面， 镁作为一种合金元素， 比Ｃｅ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ、 Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ等有 更 好 的 效 果 。文 献［１０］证 明 ， 在 采 用液态搅拌法制备ＳｉＣｐ／ＺＬ１０５复 合 材 料 时 ， Ｍｇ的 加 入 改 善 了 ＳｉＣ／Ａｌ 的 界 面 润 湿 性 和 ＳｉＣ 颗 粒 在 Ａｌ基 体 中 分 布的均匀性， 同时还能大大减轻ＳｉＣ颗粒在基体合金熔 体表面的漂浮现象。镁既是强表面活性剂， 也是强脱 氧剂， 能与增强体表面上的氧反应， 减薄其气体层， 改善润湿性， 减少增强颗粒或纤维结块趋势［８］。镁能促 使增强体表面的反应和在界面上形成新相减少固－ 液 界 面 能 ， 达 到 润 湿 界 面 的 目 的 。李 建 平 等 人［１１］研 究 表 明 ， 在Ａｌ－Ｍｇ基 复 合 材 料 中 ， 镁 与 增 强 体 和 液 态 铝 之 间的化学反应在界面上形成ＭｇＡｌ２Ｏ４层， 使熔融铝与增 强体间有好的润湿和粘结。 ２．４ 提高熔融金属的渗透压力
复合材料的综合力学性能好于基体。增强体固然 起着重要作用， 但决定其力学性能的却是增强体与金 属 基 体 之 间 界 面 的 结 构 和 性 能［１］。 在 金 属 基 复 合 材 料 中， 增强体的主要作用是支撑大部分的外加载荷， 而 基体的作用则是将分散的增强体连结起来以便将外加 载荷传递和分配给各增强体， 从而在整体上起到提高 金属基复合材料力学性能的作用。理想的界面可以有 效地传递和分配载荷从而使复合材料有更好的弹性模 量和强度。为了得到这种理想界面， 在金属基复合材 料的凝固过程中， 增强体被熔融金属基体润湿的能力 强弱是致关重要的。