金屬陶瓷潤(rùn)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(jià)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(guó)防和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

金屬陶瓷的潤(rùn)濕性對(duì)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(rùn)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(rùn)屬性呢？

一，金屬陶瓷潤(rùn)濕性現(xiàn)象

潤(rùn)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(shí)，依據(jù)不同的性質(zhì)即會(huì)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(rùn)濕性的分類

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

  1，非反應(yīng)性潤(rùn)濕

界面潤(rùn)濕過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)濕過程的驅(qū)動(dòng)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(rùn)濕的主要熱力學(xué)參數(shù)。

非反應(yīng)性潤(rùn)濕體系的潤(rùn)濕性一般較差，但其過程進(jìn)行很快。非反應(yīng)性潤(rùn)濕體系約在10-3s內(nèi)就可以完成潤(rùn)濕過程，因此保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)體系潤(rùn)濕性的影響很小，決定潤(rùn)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(duì)體系的潤(rùn)濕性影響很大。

2，反應(yīng)性潤(rùn)濕

反應(yīng)性潤(rùn)濕主要分為氧化還原潤(rùn)濕和溶解性潤(rùn)濕。氧化還原潤(rùn)濕過程中界面會(huì)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(rùn)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(rùn)濕過程中影響金屬/陶瓷體系濕潤(rùn)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(rùn)濕會(huì)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(rùn)濕，從而改善了金屬陶瓷體系的潤(rùn)濕性。

氧化還原潤(rùn)濕過程中保溫時(shí)間的延長(zhǎng)、合金元素的加入以及保溫溫度的升高一般會(huì)改善金屬陶瓷體系的潤(rùn)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(rùn)濕，其會(huì)影響金屬/陶瓷界面的接觸角，進(jìn)而影響體系的潤(rùn)濕性。

一般通過兩種方式來減小接觸角：

①發(fā)生溶解時(shí)，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(rùn)濕性增強(qiáng)。

②溶解會(huì)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(rùn)濕過程相比，反應(yīng)性潤(rùn)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(huì)惡化體系的潤(rùn)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(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠磻?yīng)性潤(rùn)濕，可以有效地改善金屬陶瓷的潤(rùn)濕性。

三，影響金屬陶瓷潤(rùn)濕性的因素有哪些

       1，表面粗糙度

       表面粗糙度對(duì)體系潤(rùn)濕性的影響可分為兩種情況，即非反應(yīng)性潤(rùn)濕和反應(yīng)性潤(rùn)濕。在非反應(yīng)性潤(rùn)濕體系中，表面粗糙化會(huì)使接觸角先增大后減小，最后逐漸趨于一個(gè)最小值，其原因?yàn)樵跐?rùn)濕過程中界面處存在一種額外的毛細(xì)管力，會(huì)促進(jìn)體系的潤(rùn)濕。在反應(yīng)性潤(rùn)濕體系中，表面粗糙化會(huì)惡化體系的潤(rùn)濕情況，且減慢體系的潤(rùn)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(zhǎng)。

2，晶體取向

      金屬陶瓷體系的潤(rùn)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(rùn)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(huì)以５種方式對(duì)金屬陶瓷體系潤(rùn)濕性造成影響：

       ①陶瓷基體的氧化，對(duì)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(rùn)濕性會(huì)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(huì)阻礙金屬液潤(rùn)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(huì)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(rùn)濕，影響體系的潤(rùn)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(duì)體系潤(rùn)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(duì)金屬陶瓷體系的潤(rùn)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(rùn)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(rùn)濕性。

     大部分合金元素可以改善體系的潤(rùn)濕性，但部分合金元素會(huì)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(duì)體系的潤(rùn)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(huì)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(rùn)濕性隨之增強(qiáng)；

      ②溫度升高會(huì)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(rùn)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(rùn)濕，促進(jìn)了體系的潤(rùn)濕性；

      ④若金屬表面存在氧化層，溫度的升高可能會(huì)將其破壞，從而促進(jìn)體系的潤(rùn)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(huì)對(duì)金屬陶瓷體系的潤(rùn)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(duì)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(rùn)濕性。還可以對(duì)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)濕性。

       涂層技術(shù)能夠有效地改善體系的潤(rùn)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(rùn)濕性的研究現(xiàn)狀-陳名海

2.金屬陶瓷潤(rùn)濕性影響因素的研究進(jìn)展-王寧