金屬陶瓷潤濕性以及影響因素

       金屬陶瓷是一種以一種或多種陶瓷相為基體，以金屬或合金為粘結(jié)相的復(fù)合材料，具有良好的延展性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。金屬陶瓷性能優(yōu)越，價格低廉，近年來其應(yīng)用也越來越廣泛，主要在刀具模具、食品藥物加工制造、汽車工業(yè)、國防和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

金屬陶瓷的潤濕性對金屬陶瓷的性能十分重要。研究表明，金屬陶瓷復(fù)合材料的潤濕性越好，其性能也越優(yōu)良。那么到底是什么影響了金屬陶瓷的潤屬性呢？

一，金屬陶瓷潤濕性現(xiàn)象

潤濕是固體表面的氣體被液體取代的過程。金屬陶瓷體系中，當(dāng)熔融的金屬液滴與陶瓷基板接觸時，依據(jù)不同的性質(zhì)即會在基板的表面上形成一定形狀的扁平液滴，如下圖所示。

    二，金屬陶瓷潤濕性的分類

       根據(jù)陶瓷金屬的界面結(jié)合情況，金屬對陶瓷的潤濕過程可分為非反應(yīng)性潤濕和反應(yīng)性潤濕。

  1，非反應(yīng)性潤濕

界面潤濕過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤濕過程的驅(qū)動力僅僅是擴(kuò)散力及范德華力。其中液態(tài)金屬的表面張力是決定液態(tài)金屬是否能在固相陶瓷表面潤濕的主要熱力學(xué)參數(shù)。

非反應(yīng)性潤濕體系的潤濕性一般較差，但其過程進(jìn)行很快。非反應(yīng)性潤濕體系約在10-3s內(nèi)就可以完成潤濕過程，因此保溫溫度和保溫時間對體系潤濕性的影響很小，決定潤濕性的主要熱力學(xué)參數(shù)是液態(tài)金屬的表面張力、重力和粘滯力。

陶瓷的金屬性、晶體取向及金屬液中的合金元素含量對體系的潤濕性影響很大。

2，反應(yīng)性潤濕

反應(yīng)性潤濕主要分為氧化還原潤濕和溶解性潤濕。氧化還原潤濕過程中界面會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成界面反應(yīng)產(chǎn)物，從而改善體系的潤濕性，具有代表性的金屬陶瓷體系有Cu－Si/Cv、Al/TiC、Al/SiC、AgCuTi/Al2O3和TiB2等。

伴隨著界面化學(xué)反應(yīng)，潤濕過程中影響金屬/陶瓷體系濕潤性的主要參數(shù)是界面產(chǎn)物及其化學(xué)性質(zhì)。氧化還原潤濕會在金屬/陶瓷界面處生成新的界面產(chǎn)物，使液態(tài)金屬在與其更親和的界面上進(jìn)行潤濕，從而改善了金屬陶瓷體系的潤濕性。

氧化還原潤濕過程中保溫時間的延長、合金元素的加入以及保溫溫度的升高一般會改善金屬陶瓷體系的潤濕性。

在金屬陶瓷系統(tǒng)交界面處部分陶瓷基體溶解于金屬液中，表現(xiàn)為溶解性潤濕，其會影響金屬/陶瓷界面的接觸角，進(jìn)而影響體系的潤濕性。

一般通過兩種方式來減小接觸角：

①發(fā)生溶解時，金屬液由于溶解有陶瓷組分，其表面張力顯著減小，使金屬陶瓷體系的潤濕性增強(qiáng)。

②溶解會使金屬液與陶瓷在交界面處產(chǎn)生凹坑，使觀察到的接觸角低于真實(shí)值。

與非反應(yīng)性潤濕過程相比，反應(yīng)性潤濕的改善效果更為顯著，也更具有發(fā)展前景。但界面反應(yīng)過于劇烈也會惡化體系的潤濕性，需要采取相應(yīng)措施來遏制界面反應(yīng)的產(chǎn)生，例如在Fe-Cr/TiO金屬陶瓷中加入 Si來阻止Fe和TiO間的界面反應(yīng)，使反應(yīng)性潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠磻?yīng)性潤濕，可以有效地改善金屬陶瓷的潤濕性。

三，影響金屬陶瓷潤濕性的因素有哪些

       1，表面粗糙度

       表面粗糙度對體系潤濕性的影響可分為兩種情況，即非反應(yīng)性潤濕和反應(yīng)性潤濕。在非反應(yīng)性潤濕體系中，表面粗糙化會使接觸角先增大后減小，最后逐漸趨于一個最小值，其原因?yàn)樵跐櫇襁^程中界面處存在一種額外的毛細(xì)管力，會促進(jìn)體系的潤濕。在反應(yīng)性潤濕體系中，表面粗糙化會惡化體系的潤濕情況，且減慢體系的潤濕速度，其原因是表面粗糙化阻礙了界面反應(yīng)產(chǎn)物的側(cè)向生長。

2，晶體取向

      金屬陶瓷體系的潤濕性受陶瓷基體最上層原子的晶體取向的影響。

      有實(shí)驗(yàn)研究表明，晶體取向?qū)Σ煌慕饘偬沾审w系的潤濕性的影響的存在差異，有的影響很大，例如Me(Pb,Sn,Bi)/MgO,有的影響很小，例如Al/MgO金屬陶瓷體系。

      3，保護(hù)氣氛

        保護(hù)氣氛主要會以５種方式對金屬陶瓷體系潤濕性造成影響：

       ①陶瓷基體的氧化，對于那些易氧化的陶瓷基體，若體系處于氧化氣氛下，則體系的潤濕性會受到很大影響；

       ②金屬液的氧化，若金屬液處于真空低溫環(huán)境下，則金屬液可能被氧化氣氛氧化，在其表面產(chǎn)生一層氧化層，氧化層會阻礙金屬液潤濕陶瓷；

       ③陶瓷基體的還原，氧化的陶瓷基體在真空或還原性氣氛下，可能會發(fā)生還原反應(yīng)，使金屬液與被還原的陶瓷基體發(fā)生潤濕，影響體系的潤濕性。

       ④被氧化的金屬液可能發(fā)生還原反應(yīng)，以Al作為金屬液的金屬陶瓷體系受保護(hù)氣氛的影響比較大；

       ⑤在真空條件下，金屬液可能發(fā)生二次氧化。

       所以，保護(hù)氣氛對體系潤濕性的影響主要依賴于金屬液和陶瓷基體的氧化還原性

質(zhì)，若金屬或陶瓷基體的氧化還原性質(zhì)比較活潑，應(yīng)格外注意保護(hù)氣氛的選擇。

       4，合金元素

       合金元素主要以下列兩種方式對金屬陶瓷體系的潤濕性產(chǎn)生影響：

       ①合金元素直接參與界面反應(yīng)，在固/液界面處形成了金屬性較強(qiáng)的界面反應(yīng)產(chǎn)物，降低了固/液界面張力，改善了系統(tǒng)的潤濕性。

       ②合金元素在固/液界面和金屬液體表面吸附和富集，降低了交界面處的界面張力和金屬液的表面張力，改善了系統(tǒng)的潤濕性。

     大部分合金元素可以改善體系的潤濕性，但部分合金元素會與陶瓷基體發(fā)生反應(yīng)，生成脆性金屬間化合物，使金屬陶瓷的性能惡化。另外，還應(yīng)注意合金元素的加入量，若加入量過多可能造成相分層，使金屬陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能嚴(yán)重下降。

       5，保溫溫度

       保溫溫度主要通過以下４種方式來對體系的潤濕性產(chǎn)生影響：

      ①在一定溫度范圍內(nèi)，液態(tài)金屬的表面張力會隨著溫度的升高而線性下降，金屬陶瓷體系的接觸角隨之降低，潤濕性隨之增強(qiáng)；

      ②溫度升高會促進(jìn)界面反應(yīng)，在陶瓷基體表面生成金屬性較強(qiáng)的界面反應(yīng)產(chǎn)物，促進(jìn)體系的潤濕；

      ③隨著溫度升高，陶瓷基體更容易溶解于液態(tài)金屬中，發(fā)生溶解性潤濕，促進(jìn)了體系的潤濕性；

      ④若金屬表面存在氧化層，溫度的升高可能會將其破壞，從而促進(jìn)體系的潤濕。

       6，陶瓷基體處理方法

      除了以上因素外，陶瓷基體的處理方法也會對金屬陶瓷體系的潤濕性造成影響，陶瓷基體處理方法有陶瓷表面預(yù)處理、涂層技術(shù)等。

      利用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、物理化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法、電化學(xué)沉積、等離子體涂覆和物理化學(xué)清洗等方法對陶瓷表面進(jìn)行處理，可以減小金屬陶瓷體系的接觸角，改善金屬陶瓷體系的潤濕性。還可以對陶瓷基體進(jìn)行預(yù)熱處理去除陶瓷表面的雜質(zhì)和氣體，使體系的潤濕性得到改善。此外，超聲波攪拌和電磁攪拌也可以達(dá)到相似的效果。

      涂層技術(shù)是在陶瓷基體表面形成一層新的金屬陶瓷界面來代替原來潤濕性不好的界面。根據(jù)涂層材料的不同可以將涂層技術(shù)分為兩類。

       一類是在金屬陶瓷界面間產(chǎn)生一種新的金屬層，金屬層與原來的金屬和陶瓷基體間的潤濕性較好。另一類是在金屬陶瓷界面間引入能夠引起界面反應(yīng)的物質(zhì)，利用界面反應(yīng)來改善體系的潤濕性。

       涂層技術(shù)能夠有效地改善體系的潤濕性，但其也存在著相應(yīng)的問題：

      ①工藝復(fù)雜，成本較高；

      ②涂層材料的熔點(diǎn)必須高于金屬基體的熔點(diǎn)；

      ③涂層材料不能與金屬基體反應(yīng)生成脆性相。

內(nèi)容來源參考文獻(xiàn)：

1.金屬/陶瓷潤濕性的研究現(xiàn)狀-陳名海

2.金屬陶瓷潤濕性影響因素的研究進(jìn)展-王寧