金属与陶瓷的润湿性概述

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摘 要：研究金属对陶瓷的润湿性对开发新型金属—陶瓷体系，探寻和发展材料的制备技术，制备高性能金属—陶瓷复合材料有着重要的现实意义。本文阐述了润湿性的分类、界面化学反应对金属—陶瓷润湿性和陶瓷材料性能的影响，并介绍了润湿性研究的实验研究方法，探讨改善润湿性的途径。

关键词：金属—陶瓷；接触角；化学反应；润湿性

中图分类号：TL25 文献标志码：A 文章编号：

1 引 言

金属—陶瓷复合材料作为一种以一种或多种陶瓷相为基体，以金属或合金为粘结相的复合材料[1]，如何发挥其中陶瓷相基体的优良性能一直是科研人员研究的重点方向。其中陶瓷与金属润湿性的好坏很大程度上决定了金属—陶瓷复合材料综合性能的发挥，因此金属—陶瓷复合材料研究的热点在于开发新型金属—陶瓷体系、改善金属—陶瓷界面结合状况以提高材料综合性能，这一切都是建立在金属对陶瓷具有良好的润湿性的基础之上。研究金属对陶瓷的润湿性对制备高性能金属—陶瓷复合材料有着重要的现实意义。金属陶瓷复合材料的研究还处于初期阶段。研究较多的有金刚石、石墨、SiC、Al2O3、ZrO2、TiC等陶瓷相和金属合金所组成的体系。由于陶瓷和金属的晶体类型及物理化学特性的差异，两者的相容性很差，绝大部分液态金属都不能润湿陶瓷，因此如何改善金属与陶瓷的润湿性，从而改善材料的综合性能性能成为当前材料制备中的一个重要问题。

2 润湿性的分类

根据陶瓷—金属的界面结合情况，金属对陶瓷的润湿过程可分为非反应性润湿和反应性润湿。

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及范德华力。其中液态金属的表面张力是决定液态金属是否能在固相陶瓷表面润湿的主要热力学参数。一般此类润湿过程进行得很快，在很短的时间内就能达到平衡；且温度和保温时间对润湿性影响不大。非反应性润湿体现出对体系成分的不敏感性。添加合金元素对改善金属—陶瓷润湿性有较大的影响，其机制为合金元素在液态金属表面及固—液界面的吸附和富集，降低了液态金属表面张力及固—液界面张力。如在Cu中添加Cr不但降低液态金属表面张力，且Cr在金属—陶瓷界面偏聚造成界面张力降低，从而有效地降低Cu对ZrO2的接触角。

对于反应性润湿金属陶瓷的润湿性与时间、合金元素及温度有很大关系。润湿性一般随着时间的延长、合金元素的加入及温度的提高而增强粘结功、接触角也增大。由于伴随着不同程度的界面化学反应，反应性润湿过程中液态金属的表面张力并不是影响液态金属在陶瓷表面润湿性的主要参数，润湿作用主要是通过界面反应形成界面反应产物来实现。

3润湿性研究的方法

3.1 量子化学法

量子化学法通过研究金属陶瓷界面电子结构和结合，从理论上计算出界面能量。它研究金属陶瓷界面结合是以分子轨道模型为基础的〕。Li等人用此模型处理陶瓷分子，计算出了金属陶瓷的界面能。

3.2 宏观热力学方法

热力学是人们研究金属陶瓷润湿问题的基础。大部分测量和计算润湿性的原理都离不开热力学。在润湿过程中，界面的热力学基本特征在于界面自由能的变化。对于发生化学反应的润湿过程，润湿能否进行与化学反应的吉布斯自由能和表面附加吉布斯自由能有关。一般在活性金属组成的休系中可发生。

3.3 统计热力学法

统计热力学从微观出发，以单组元一般为二元系合金为基础，预测多组元的金属陶瓷界面的润湿性变化规律。对于金属陶瓷体系，可将陶瓷相看作单一种类的相。这样金属与陶瓷之间形成了伪二元共晶系。

3.4 动力学法

动力学方法润湿的动力学在工程领域相当重要。要缩短生产时间,就得加速润湿过程,此外，如果润湿进行得慢，有可能金属已经凝固，却未完全润湿，这对材料的性能是不利的。某些金属表面易于氧化，影响了平衡的接触角的测定，并且氧化层的存在，一也影响了金属原子向陶瓷的扩散,随之影响润湿的动力学。

4 改善润湿性的途径

4.1合金化

合金化途径是应用最为广泛的改善润湿性的手段，对合金元素对元素润湿性的作用机理已经进行了深入的研究，主要机制为：①合金元素在液态金属表面及固—液界面吸附与富集，降低液态金属表面张力及固—液界面张力；②合金元素在固ö液界面发生界面反应，形成界面反应产物。合金元素的选择是现在研究的热点，特别对于活性金属，由于界面反应产物一般是脆性相，润湿性的提高并不等同于复合材料综合性能也同步提高。Ti(C,N)基金属陶瓷的环形相对改善金属Ni对TiN的润湿发挥着重要作用，但是，在制备金属陶瓷时却并不希望环形相过分长大，因为脆性环形相过厚对材料性能的损伤也是很明显的。

4.2 金属合金化

金属合金化是最有效和最广泛的方法之一，金属基通过添加合金元素来降低熔融金属的表面张力及固—液界面能，甚至通过添加合金元素在固液界面参加界面反应来降低接触角。

4.3 表面涂层技术

改善陶瓷表面状态和结构以增大固相表面能可通过化学和物理的方法来实现，其中包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PCVD)、溶胶—凝胶(Sol-gel)法、等离子体涂覆、电化学沉积等。表面涂层技术通过新的涂覆物质取代金属与陶瓷的直接接触，从而提高体系的润湿性。

4.4提高润湿过程中的温度

液态金属的表面能像其它液体的一样,在一定范围内，随温度升高而线性下降，使得金属陶瓷的接触角随温度升高而降低。这是因为降低熔融金属的表面能，达到改善润湿性的目的。但温度升高也有一定的局限性温度升高，温度过高会破坏金属表面的氧化层，会使更多的金属蒸发。

此外, 提高润湿温度，使用适当的保护气氛，提高液相压力(压力熔浸)，以及采用流体动力学方法也能获得良好的润湿性。

5 结 语

改善体系润湿性提供指导是研究金属ö陶瓷润湿性永恒的目标，随着科学理论的发展和各种原始数据的积累，在一定范围内，理论预测和控制金属陶瓷的润湿性、界面性质、粘结功和界面强度的变化规律，已开始成为现实。这无疑将对金属陶瓷复合材料的发展起巨大的推动作。

参考文献

[1] 刘红卫，陈康华，吕海波，Ti(C,N)基硬质合金中的润湿性研究.粉末冶金技术，2000，18(3）：167-171.

[2]陈名海，刘宁.金属—陶瓷润湿性的研究现状.硬质合金2002(4):199—205.

[3]张金咏，傅正义.陶瓷—金属复合材料制备与研究[J].武汉工业大学学报.1999(2)：46-48.

[4]戴大煌，周克崧等.现代材料表面技术科学.北京：冶金工业出版社，2004.