金属_陶瓷润湿性_上_

sea rch ing the w ettab ility of va riou s m eta l2ceram ic system s a re co llected and eva lua ted system a tica lly.
【Key words】 w ettab ility, con tact angle, w o rk of cohesion
二、润湿性和润湿过程的表征
当上述三个界面处于非平衡条件下, 接触角可 以表示为[7 ]:
1. 接触角和粘附功W a
co sΗ= co sΗ。-
∃ Ρr ΡLV
-
∃G r ΡLV
(3)
·6·
且 ΡSV - ΡSL = (ΡSV - ΡSL )。 - ∃ Ρr- ∃ Gr
(4)
其中 Η。 是无界面反应时的接触角。
表 2 T= 1423k 时, Cu 对不同氧化物 的接触角和粘附功 (见[8])
氧化物
Η(度)
W a (m J. m - 2) W a (m J. m - 2)
(实验值)
(计算值)
A l2O 3
128
460
550
T i2O 3
113
740
670
T iO 0114
82
1460
750
T iO 0186
无论氧化物陶瓷, 还是碳化物陶瓷, 随着它们的 金属性增强, 金属 陶瓷的润湿性增强, W a 值也增 大, 这主要由于随陶瓷的金属性增强, 它们与基体的 性质更接近, 更能相容。
对于非反应性润湿, 金属 陶瓷的润湿性还依赖
于陶瓷的位向关系[1, 10]。 从表 3 中可以看出, 在金刚 石的不同位向上, 液态金属 金刚石的润湿性有很大
湿性研究的发展状况, 以供借鉴。
间的界面张力分别为 ΡSL、ΡSV、ΡLV。 对于完全润湿金 属液滴可以完全铺展到陶瓷衬底表面上, 此时接触
角 Η= 0°; 对于完全不润湿, 接触角为 180°。在平衡条 件下, 据杨氏方程可得:
ΡSV = ΡSL + ΡLV co sΗ
或 Η= a rc co s
【Abstract】 T h is p ap er review s som e techn iques of m ea su ring the w ettab ility of m eta l2ceram ic, som e
theo ries of resea rch ing it and som e m ethods of im p roving it. Fu rtherm o re, som e resu lts of m ea su ring and re2
为了描述非反应金属 氧化物陶瓷的界面,
表 1 不同金属在高真空或保护性气氛下 与 A l2O 3 的接触角及粘附功 (见[8 ])
金属
T (k)
Η度
W a (m J. m - 2)
Pb
1173
117
215
Sn
1373
125
205
Ag
1373
130
325
Cu
1373
120
490
Zi
1773
109
1200
传统测量金属 陶瓷润湿性的方法是座滴法。它 通过将金属滴置于陶瓷材料制成的衬底上, 冷凝后 测量接触角 Η和液滴形状, 就可测出其润湿性。这种Fra Baidu bibliotek方法比较简便、精确。 但存在以下问题:
(1) 金属液滴的表面如果存在着氧化层, 则测出 的接触角就不能真正反映金属 陶瓷的润湿性, 而是 金属氧化物与陶瓷之间的接触角。许多文献指出, 在 易氧化金属的润湿实验中, 氧化物的影响依赖于温 度和气氛中氧的分压, 如图 3, 4 所示。液滴温度达到
许多体系的金属基体与陶瓷增强体之间不发生 化学反应, 如 A l2O 3 和 T i2O 3 等氧化物陶瓷材料与 A l 等基体, 其润湿过程的主要驱动力主要为范德华 力和分散力等物理作用力。在非反应性金属 陶瓷体 系中, 润湿性一般比较差, 如表 1 所示。 且润湿过程 进行得很快, 约在 10- 3S 内就可以达到平衡[8]。在这 种体系中, 润湿性随温度变化很小, 如 Ga 在 石 英 (SiO 2) 或蓝宝石 (A l2O 3) 衬底上, 温度升高 1000℃, 接触解 Η仅仅降低 5°到 10°, 相应地, 粘结功仅增加 50 到 100m J. m - 2[9]。 由于体系在极短时间内达到平 衡, 故时间对金属 陶瓷的润湿影响不大。
(1) 时间对反应性润湿的影响 反应性润湿一般随时间的推移而增加, 但达到 平衡 (界面反应停止) 要很长的时间, 而不象非反应 性润湿只需 013 秒即可。 这是因为在界面处反应产 物逐渐达到饱和, 原子扩散越来越困难。 如图 1 所 示, A l2Si SiC 系的润湿性随 t 增加而增加, 180 分钟 后平衡, 接触角为 50°。在 Cu2T i A l2O 3 和N i2Pd2C r C 体系中, 要测得稳定的接触角 Η, 分别需 100 秒和 1000 秒。 可见时间对反应性润湿影响很大。
第十五卷第三期 Vo 1 1 1 5No 1 3
材 料 科 学 与 工 程 M a teria ls Science & Eng ineering
总第59期 Sep t. 1997
金属 陶瓷润湿性 (上)
陈康华 包崇玺 刘红卫
中南工业大学粉末冶金国家重点实验室, 长沙, 410083
【摘 要】 本文综述了金属 陶瓷的润湿性测定方法, 理论研究方法, 改善润湿性的技术方
的液面为凸形或凹形, 完全依赖于 ΡSV 和 ΡLV。金属液 柱平衡时有:
Pc =
2ΡLV r
=
Θg h
(5)
其中 r 是毛细管半径; Θ: 是金属液的密度; g: 重 力加速度; h: 液柱的高度。毛细管内金属液面的上升 是润湿的表现形式。
当(ΡSV - ΡSL ) ΡSL > 1 时, 完全润湿或完全不润 湿, 此 时 接 触 角 是 没 有 意 义 的。 为 此 提 出 了 浸 入
(ΡSV - ΡSL )。 是无界面反应时的值。
∃Gr 是在界面处化学反应的吉布斯自由能。
∃ Ρr 是固 液单层界面变为双层界面时界面张力
的变化。
一般而言, 界面存在界面反应可以降低接触角
Η, 这主要由于生成的物质在性质上更具有金属性, 从而可以更好地与金属基体结合。
2. 附加压力 P c 和浸入功W i 当陶瓷相制成毛细管浸入到金属液体中, 弯曲
对液态金属与陶瓷颗粒或纤维的润湿性, 传统
一、引 言
的表征参量是接触角和粘附功。固 液、固 气、液 气
金属 陶瓷的润湿性对金属基复合材料、硬质合
金和涂层材料的生产和开发、金属与陶瓷的焊接以
及冶金过程中金属与渣的分离等方面有着重要的意
义。 随着金属基复合材料的发展, 人们对金属 陶瓷
的润湿性研究更加深入了。 研究得较多的体系有金
72
1650
860
Cha ta in [8]提出了金属 氧化物陶瓷的粘附功W a
Wa= -
N
1
C 3V
2 M
3 e
[
∃H{
∞ 0
(M
e)
+ 1s
∃H{
∞ M
(M
e)
]
(7)
式中,
∃H{
∞ 0
(M
e)、∃H{
∞ M
(M
e)
分别为氧气和氧化
物中的金属元素在金属中无限溶解时的混合焓。
N : 阿佛加德罗常数。 V M e: 为液态金属的摩尔体积。 C. S : 分别为依赖于氧化物陶瓷衬底的经验常 数。
(3) 温度对反应性润湿的影响 温度在反应润湿中, 是一个重要因素。温度升高, 可以降低接触角, 提高粘结功, 促进界面反应的进行。 文献[13] 报道, 在 SiC 表面氧化后, 有一层 SiO 2 膜, 测 量 A l 氧化后的 SiC 的润湿 性 发 现, 在 1073K 时, SiO 2 A l 的接触角为 90°, 1173K 时稳定的接触角仅 为 15°。 由此可以看出, 温度对反应性润湿影响很大。
法, 并系统收集和评价了各种金属 陶瓷体系中润湿性的测试和研究结果。
【关键词】 润湿性 接触角 粘附功
The W ettab il ity of M eta l-Ceram ic
Chen Kanghua Bao Chongx i L iu Hongwe i
Na tiona l Key Labora tory of Powder M eta llurgy, Cen tra l South Un ivers ity of Technology, Changsha , 410083
式 (7) 在 C≈ 012、S≈ n 时, 对 A l2O 3、S iO 2 (A l2O 3 ∶n = 115; S iO 2 ∶n = 2) 与金属的粘结功, 与实验值 比较一致。 文献[ 8 ]给出了用 (7) 式所得计算值与实
验值的比较 (如表 2 所示)。从表 2 可以看出, 随着氧 化物金属性的增强, 接触角降低, 粘结功增加 (从上 到下金属性逐渐增强)。
3C r + 2C → C r3C2 此反应的存在, 使接触角迅速降到 20°左右 (此时 C r 含量为 014)。
一般要求金属基体不与陶瓷增强相发生显著的
·8·
润湿性对于金属 陶瓷复合材料的生产是十分 重要的, 但测量十分困难, 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
ΡSV - ΡSL ΡLV
(1)
显然, 要润湿, Η< 90°, (ΡSV - ΡSL ) 一定为正值。
由于固体表面张力 ΡSV 难以测量, 所以可以用固
相的粘附功来表示润湿:
W a = ΡSV + ΡLV - ΡSL
(2)
W a 的值越高, 表示固 液界面的结合愈稳定, 液
态金属润湿性越好。
刚石[1 ]、石墨[2 ]、SiC
[3 ]、A
l2O
[ 3, 3
4 ]、ZrO
2
[5 ]、T
iC
[6 ] 等陶
瓷相与纯金属或合金所组成的体系。在现阶段, 金属
陶瓷复合材料研究的重点在于开发新的金属 陶瓷
体系、改善金属 陶瓷的界面结构及提高材料的综合
性能。而这一切都是以金属 陶瓷的润湿性及界面性
质为基础的。本文从各个方面综述了金属 陶瓷的润
图 2 在 1523K 时, 在 N i2Pd2C r C 体系中 C r 含量对接触角的影响 (见[8])
界面反应, 为此要将活性合金元素与基体金属合金 化来控制界面反应的程度和提高金属基体的润湿 性。如在A l C (石墨) 材料中, A l 和 C 发生界面反应, 生成片状的脆性相 A l4C3, 这对复合材料的性能是不 利的。为了解决这个问题, 一般加入某些活性合金元 素, 如 T i 等, 在石墨表面原位反应生成 T iC, 以避免 A l4C3 的生成。
(100)
113
110
133
135
(110)
106
117
135
103
(111)
98
101
130
147
中, 加入 A l 合金元素, 当 A l 达到 20a t% 时, 接触角 降到最低, 再增加 A l 的含量, 则接触角又增大[11]。 2. 反应性润湿
金属 陶瓷在界面处发生的界面反应一般可以 促进润湿。这是由于界面反应降低了固 液, 液 气的 界面能, 从而降低了接触角。
功[8 ]:
W i = ΡSL - ΡSV
(6)
W i 表示了固体浸入到液体中时自由能的变化,
W i< 0 可以自发地润湿,W i> 0 时, 固体有离开液体
的趋势, 必须施加外力降低W i 才可能使其润湿。
三、金属 陶瓷润湿过程的 分类及特征
按照金属 陶瓷的结合情况, 可以将润湿过程分 为非反应性润湿和反应性润湿。 1. 非反应性润湿
的差异 (最大的相差达 44°)。这说明了润湿性与陶瓷
的位向关系相当密切。
此外, 合金元素的加入, 对非反应性的金属 陶 瓷的润湿性也有影响。 例如在 S n A l2O 3 复合材料
·7·
表 3 金刚石在 H2 中与不同金属的接触角[1]
(hk1) B i(853k) Pb (873k) Sn (1023k) A g (1273k)
四、润湿性的实验测定
图 1 在 1073K 时, A l218a t% Si SiC 体系接触角与时间的关系 (见[12])
(2) 合金元素对反应性润湿影响 合金元素对反应性润湿影响很大。 某些合金元 素的加入一方面降低了固 液、液 气的界面能, 一方 面 参加了界面反应。 如图 2 所示, 当 C r 含量达到 0114 (为克分子数) 时, N i2Pd2C r C 接触角从 160°降 到大约 90°, 这主要由于 C r 的加入, 向 C 偏聚, 降低 了界面能。 当 C r 含量达到 0124 时, 由于界面反应: