金属陶瓷润湿性以及影响因素

金属陶瓷是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，具有良好的延展性、导电性、耐腐蚀性和热稳定性。金属陶瓷性能优越，价格低廉，近年来其应用也越来越广泛，主要在刀具模具、食品药物加工制造、汽车工业、国防和航空航天等领域的应用。

金属陶瓷的润湿性对金属陶瓷的性能十分重要。研究表明，金属陶瓷复合材料的润湿性越好，其性能也越优良。那么到底是什么影响了金属陶瓷的润属性呢？

一，金属陶瓷润湿性现象

润湿是固体表面的气体被液体取代的过程。金属陶瓷体系中，当熔融的金属液滴与陶瓷基板接触时，依据不同的性质即会在基板的表面上形成一定形状的扁平液滴，如下图所示。


二，金属陶瓷润湿性的分类

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。

1，非反应性润湿

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。

非反应性润湿体系的润湿性一般较差，但其过程进行很快。非反应性润湿体系约在10-3s内就可以完成润湿过程，因此保温温度和保温时间对体系润湿性的影响很小，决定润湿性的主要热力学参数是液态金属的表面张力、重力和粘滞力。

陶瓷的金属性、晶体取向及金属液中的合金元素含量对体系的润湿性影响很大。

2，反应性润湿

反应性润湿主要分为氧化还原润湿和溶解性润湿。氧化还原润湿过程中界面会发生氧化还原反应，生成界面反应产物，从而改善体系的润湿性，具有代表性的金属陶瓷体系有Cu－Si/Cv、Al/TiC、Al/SiC、AgCuTi/Al2O3和TiB2等。

伴随着界面化学反应，润湿过程中影响金属/陶瓷体系湿润性的主要参数是界面产物及其化学性质。氧化还原润湿会在金属/陶瓷界面处生成新的界面产物，使液态金属在与其更亲和的界面上进行润湿，从而改善了金属陶瓷体系的润湿性。


氧化还原润湿过程中保温时间的延长、合金元素的加入以及保温温度的升高一般会改善金属陶瓷体系的润湿性。

在金属陶瓷系统交界面处部分陶瓷基体溶解于金属液中，表现为溶解性润湿，其会影响金属/陶瓷界面的接触角，进而影响体系的润湿性。

一般通过两种方式来减小接触角：

①发生溶解时，金属液由于溶解有陶瓷组分，其表面张力显著减小，使金属陶瓷体系的润湿性增强。

②溶解会使金属液与陶瓷在交界面处产生凹坑，使观察到的接触角低于真实值。

与非反应性润湿过程相比，反应性润湿的改善效果更为显著，也更具有发展前景。但界面反应过于剧烈也会恶化体系的润湿性，需要采取相应措施来遏制界面反应的产生，例如在Fe-Cr/TiO金属陶瓷中加入Si来阻止Fe和TiO间的界面反应，使反应性润湿转变为非反应性润湿，可以有效地改善金属陶瓷的润湿性。

三，影响金属陶瓷润湿性的因素有哪些

1，表面粗糙度

表面粗糙度对体系润湿性的影响可分为两种情况，即非反应性润湿和反应性润湿。在非反应性润湿体系中，表面粗糙化会使接触角先增大后减小，最后逐渐趋于一个最小值，其原因为在润湿过程中界面处存在一种额外的毛细管力，会促进体系的润湿。在反应性润湿体系中，表面粗糙化会恶化体系的润湿情况，且减慢体系的润湿速度，其原因是表面粗糙化阻碍了界面反应产物的侧向生长。

2，晶体取向

金属陶瓷体系的润湿性受陶瓷基体最上层原子的晶体取向的影响。

有实验研究表明，晶体取向对不同的金属陶瓷体系的润湿性的影响的存在差异，有的影响很大，例如Me(Pb,Sn,Bi)/MgO,有的影响很小，例如Al/MgO金属陶瓷体系。

3，保护气氛

保护气氛主要会以５种方式对金属陶瓷体系润湿性造成影响：

①陶瓷基体的氧化，对于那些易氧化的陶瓷基体，若体系处于氧化气氛下，则体系的润湿性会受到很大影响；

②金属液的氧化，若金属液处于真空低温环境下，则金属液可能被氧化气氛氧化，在其表面产生一层氧化层，氧化层会阻碍金属液润湿陶瓷；

③陶瓷基体的还原，氧化的陶瓷基体在真空或还原性气氛下，可能会发生还原反应，使金属液与被还原的陶瓷基体发生润湿，影响体系的润湿性。

④被氧化的金属液可能发生还原反应，以Al作为金属液的金属陶瓷体系受保护气氛的影响比较大；

⑤在真空条件下，金属液可能发生二次氧化。

所以，保护气氛对体系润湿性的影响主要依赖于金属液和陶瓷基体的氧化还原性

质，若金属或陶瓷基体的氧化还原性质比较活泼，应格外注意保护气氛的选择。

4，合金元素

合金元素主要以下列两种方式对金属陶瓷体系的润湿性产生影响：

①合金元素直接参与界面反应，在固/液界面处形成了金属性较强的界面反应产物，降低了固/液界面张力，改善了系统的润湿性。

②合金元素在固/液界面和金属液体表面吸附和富集，降低了交界面处的界面张力和金属液的表面张力，改善了系统的润湿性。

大部分合金元素可以改善体系的润湿性，但部分合金元素会与陶瓷基体发生反应，生成脆性金属间化合物，使金属陶瓷的性能恶化。另外，还应注意合金元素的加入量，若加入量过多可能造成相分层，使金属陶瓷复合材料的力学性能严重下降。

5，保温温度

保温温度主要通过以下４种方式来对体系的润湿性产生影响：

①在一定温度范围内，液态金属的表面张力会随着温度的升高而线性下降，金属陶瓷体系的接触角随之降低，润湿性随之增强；

②温度升高会促进界面反应，在陶瓷基体表面生成金属性较强的界面反应产物，促进体系的润湿；

③随着温度升高，陶瓷基体更容易溶解于液态金属中，发生溶解性润湿，促进了体系的润湿性；

④若金属表面存在氧化层，温度的升高可能会将其破坏，从而促进体系的润湿。


6、陶瓷基体处理方法

除了以上因素外，陶瓷基体的处理方法也会对金属陶瓷体系的润湿性造成影响，陶瓷基体处理方法有陶瓷表面预处理、涂层技术等。

利用物理气相沉积、化学气相沉积、物理化学气相沉积、溶胶凝胶法、电化学沉积、等离子体涂覆和物理化学清洗等方法对陶瓷表面进行处理，可以减小金属陶瓷体系的接触角，改善金属陶瓷体系的润湿性。还可以对陶瓷基体进行预热处理去除陶瓷表面的杂质和气体，使体系的润湿性得到改善。此外，超声波搅拌和电磁搅拌也可以达到相似的效果。

涂层技术是在陶瓷基体表面形成一层新的金属陶瓷界面来代替原来润湿性不好的界面。根据涂层材料的不同可以将涂层技术分为两类。

一类是在金属陶瓷界面间产生一种新的金属层，金属层与原来的金属和陶瓷基体间的润湿性较好。另一类是在金属陶瓷界面间引入能够引起界面反应的物质，利用界面反应来改善体系的润湿性。

涂层技术能够有效地改善体系的润湿性，但其也存在着相应的问题：

①工艺复杂，成本较高；

②涂层材料的熔点必须高于金属基体的熔点；

③涂层材料不能与金属基体反应生成脆性相。

内容来源参考文献：

1.金属/陶瓷润湿性的研究现状-陈名海

2.金属陶瓷润湿性影响因素的研究进展-王宁