金属与陶瓷的润湿性概述

金属表面润湿性机制特征及应用研究哎呀，说起金属表面润湿性这事儿，还真挺有意思的。

咱们先来讲讲啥是金属表面润湿性。

想象一下，你把一滴水放在金属板上，这水是摊开成一大片，还是像个小球一样滚来滚去？这就是润湿性在起作用啦。

简单说，润湿性就是液体在固体表面铺展的能力。

金属表面润湿性的机制特征，那可是有不少门道。

从微观角度看，金属表面的粗糙度就像一个个小小的山峰和山谷。

要是表面粗糙得很，水就容易“卡”在那些山谷里，润湿性就会变差；反过来，表面光滑溜溜的，水就能更顺畅地铺开。

还有啊，金属表面的化学成分也很关键。

比如说，有些金属表面容易氧化，形成一层氧化膜，这层膜就会影响液体和金属的“亲密接触”，从而改变润湿性。

我记得有一次，我在实验室里做实验，想研究一种新型金属材料的润湿性。

我小心翼翼地把准备好的液体滴在金属片上，眼睛紧紧盯着，心里那个期待啊！结果，这液体的表现跟我预期的完全不一样，可把我急坏了。

后来经过反复琢磨，才发现是金属表面在处理的时候不小心沾上了杂质，影响了实验结果。

这让我深刻体会到，哪怕是一点点小小的杂质，都能对金属表面润湿性产生巨大的影响。

那金属表面润湿性又有啥应用呢？这用处可大了去啦！在印刷行业里，如果金属印刷板的润湿性不好，那印出来的东西可就模糊不清，质量大打折扣。

再比如说在医疗领域，有些医疗器械的表面需要有良好的润湿性，这样才能更好地与人体组织接触，减少排异反应。

还有在防水领域，利用金属表面润湿性的特点，可以制造出超级厉害的防水材料。

雨水落在上面，就像水珠落在荷叶上一样，一下子就滚走了，根本渗不进去。

总之，金属表面润湿性虽然听起来有点深奥，但它实实在在地影响着我们生活的方方面面。

通过不断地研究和探索，相信未来我们能更好地利用它，创造出更多更神奇的东西！。

金属/陶瓷复合材料润湿性的研究摘要：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有重大的意义。

制备高性能金属/陶瓷复合材料有着重要的现实意义。

本文从陶瓷/金属的润湿现象、机理及其分类出发，介绍了润湿性研究的实验研究方法，并探讨改善润湿性的途径。

关键词：金属／陶瓷复合材料；润湿性；接触角；粘附功一．润湿现象润湿是固体表面的气体被液体取代的过程。

在复合材料的制备过程中，只要涉及液相与固相的相互作用，必然就有液相与固相的润湿问题。

在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的润湿性如何直接影响到界面黏结强度。

润湿性表示液体在固体表面上的铺展程度。

优良的润湿性意味着液体在固体表面上铺展开来覆盖整个增强材料的表面。

按热力学的条件，只有体系自由能减少时，液体才能铺展开来，即因此，铺展系数SC[1]被定义为当铺展系数SC>0时，才会润湿，根据力学平衡，可得：式中，θ为接触角。

由θ可以知道润湿程度。

θ=0°时，金属熔液会在基体上完全的铺展开；θ=180°时，熔滴呈圆球状，只与基体表面形成点接触，称其为完全不润湿；0°90°时则称为不润湿，液相对固体的粘着性较差。

对于一个特定的系统，接触角θ会随温度、保温时间、吸附气体等而变化。

润湿过程可按顺序分为沾湿、浸湿、铺展三个阶段。

对于一个固定的系统，沾湿过程的铺展力最大，最容易进行，属于最低层次的润湿；铺展过程的铺展力最小，属于最高层次的润湿。

润湿性好的液体将尽力覆盖更多的固-气界面，直至完全平铺固体表面，润湿性差的液体的润湿过程将终止于较大的平衡接触角。

金属/陶瓷的润湿性对金属基复合材料的生产有重要的意义。

图1.1润湿性示意图二．润湿性分类根据金属/陶瓷的结合情况，液态金属对陶瓷的润湿过程可分为非反应润湿和反应润湿[2-5]。

对于非反应润湿体系，界面润湿过程不发生化学反应，润湿过程仅仅依靠扩散力和范德华力来完成,润湿性一般比较差，通常非反应润湿过程是一个很迅速的过程，在很短时间内就能达到各项平衡状态，与温度没有太大关系，但与陶瓷的金属性和位向及合金元素的加入有很大的关系。

金属陶瓷润湿性的研究现状
基本内容
基本内容
摘要： 金属陶瓷是一种具有优异性能的材料，其润湿性是影响材料性能和应用的重 要因素。本次演示综述了近年来金属陶瓷润湿性的研究现状，包括润湿性的定义 和物理本质、研究方法和技术、影响因素及其作用机理以及在工程实践中的应用， 并展望了未来的研究方向。
基本内容
2、动态附着系数测量
2、动态附着系数测量
动态附着系数测量是一种直接测量固体表面与液体之间作用力的方法，通过 测量液滴在固体表面上的受力情况来评估润湿性。该方法具有较高精度和灵敏度， 但设备成本较高，操作复杂。
1、液滴平衡理论
1、液滴平衡理论
液滴平衡理论是基于Young-Laplace方程的一种理论模型，通过计算液滴在 固体表面上的平衡态来预测润湿性。该理论模型具有简单、直观等优点，但难以 准确描述液滴在固体表面上的动态行为。
4、金属陶瓷润湿性在工程实践中的应用
结论： 本次演示综述了金属陶瓷润湿性的研究现状。目前，研究者们已经从多个角 度对金属陶瓷的润湿性进行了深入研究，包括定义和物理本质、研究方法和技术、 影响因素及其作用机理以及在工程实践中的应用。然而，现有的研究仍存在一定 的不足之处，例如对润湿过程中微观机制的研究不够深入，
2、分子动力学模拟
2、分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于分子作用力模拟的方法，通过模拟液滴与固体表 面之间的分子相互作用来预测润湿性。该方法具有较高精度和可靠性，但计算成 本较高，需要借助高性能计算机进行运算。
2、分子动力学模拟
结论 本次演示介绍了金属陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展。实验表征 方面，接触角测量和动态附着系数测量是最常用的方法，但各方法均有优缺点。 理论预测方面，液滴平衡理论和分子动力学模拟是两种主要的研究方法，其中分 子动力学模拟具有较高的精度和可靠性，但计算成本较高。

１ 前
言
陶瓷材 料具有 高的熔点 、 硬度和 弹性 模量 ， 耐 其 热性 、 耐蚀 性 和耐磨 性 良好 ， 军 工 、 空 航天 、 在 航 汽 车、 电子等领域得 到广泛 的应 用。 管陶瓷材料有 如 尽
此优异 的特殊 性能 ， 其致命 的缺点—— 脖 陛 ， 但 限制
了其特性 的发挥 和应用 。金属材料 具有 良好 的延展
应 ，反应性 润湿过 程 中液态金属 的表 面张力并 不是
作者简介： 李菊 （９ １ ）女 ， １８ 一 ， 山东曹县人 。山东理工大学材料科学与 工程学院材料学专业在读 硕士研究生 ， 究方向主要 为金属基复合 研
应性 润湿 是指 界 面润湿 过程 中不 发 生化 学反 应 ， 润
究将从实 验方法 、理论研 究及改善 润湿性 的技术等
几个方 面进行综述 。
２ 润湿 性 及 表 征 方 法
润湿 是指 固体 表面上 一种液相 取代另 一种与之 不混溶 的流体 的过 程 ， 润湿性 一般用 接触角来衡 量 。 接触 角是 固、 、 三相 交界 处 ， 液 气 自固液 界 面经 液体 内部 到气液界面 的夹角 ， 图 １ 如 所示 『 ｌ ＿ 。
１
Ｗａ＿ Ｔ 【 ＝ △Ｈｏ ） ＡＨ （ ） （ ＋ Ｍｅ Ｍ Ｍｅ】 ，
Ｎ № ３
式 中 △Ｈ （ ） ＡＨ （ ｅ分 别 是 氧气 和 金 属 氧化 物 。 、 Ｍ ） Ｍｅ 在 金属 中无 限溶 解 时 的混合 焓 ； Ｎ为阿佛 加 德 罗常 数 ； 为液态金属 的摩尔体积 ； 、 Ｃ Ｓ为经验 常数 。 带 人有关热 力学数据 ， 就可 以计算粘 结功 。 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 。 文献 【 指出 ， ２ 】 非反

图 １ 液 －固 接 触 润湿角 的 示意 图
面 结 合 强 度， 因 此 有 利 于 提 高 复 合 材 料 的 力 学 性 能。 固 －液两相界面主 要 有 两 种 结 合 机 制 ： 物理结合和化学
； 收稿日期 ： 修改稿收到日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ５ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ ６ － － － － 基金项目 ： 教育部重点实验室培育项目 ， ： 第一作者简介 ： 陈维平 ， 男， 教授 ， 华南理工大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ， 广州（ 电 话： １ ９ ５ ９ 年出生 ， ５ １ ０ ６ ４ ０） ０ ２ ０－８ ７ １ １ ３ ８ ３ ２， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ｅ ｗ ｃ ｈ ｅ ｎ＠ｓ ｃ ｕ ｔ ． ｐ ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
γ γ ｓ ｓ ｌ ｇ－ γ ｌ ｇ
（ ） １
／气界面 能 即 固 相 表 面 能 ； ／液 界 面 式中 ， γ γ ｓ ｓ ｌ为 固 ｇ为固 ／气界面能即铝液的表面张力 。 能； γ ｌ ｇ为液 ） 由式 （ 可以看出 ， 要增加颗粒与铝熔体的润湿性 ， １ 就要 增 大 γ 减 小γ ｓ ｓ ｌ和 γ ｌ ｇ， ｇ。 当 液 滴 与 固 体 表 面 接 触 时， 原来 的 固 －气 界 面 和 液 －气 界 面 部 分 被 固 －液 界 面 代 替 。 而只有当这一过程系统总的自由能降低时 ， 液体才 会在固体表面铺展 。 液 －固两相之间的结合力称为粘附功 ， 用 Ｗａ 表示 ：
认为颗粒氧化对润湿性有反作用 ， 颗粒表面的氧化物在 润湿过程中为铝液的氧化提供了氧源 ， 反应生成致密的
４］ 。研究结论的差异 氧化膜阻碍了铝 液 对 颗 粒 的 润 湿 ［
可能与铝合金基体 中 的 合 金 元 素 和 温 度 有 关 。 刘 俊 友

金属材料表面润湿性研究与应用咱先来说说啥是金属材料表面润湿性。

这东西啊，其实就像是金属表面的“亲水性”或者“疏水性”。

比如说，咱们常见的不锈钢锅，有时候水在上面能摊开成薄薄一层，这就是润湿性好；而有些金属表面，水一上去就成了一颗颗小水珠滚来滚去，这润湿性就差。

我记得有一次，我在厨房清洗一些金属餐具。

有一个旧的铝制饭盒，表面坑坑洼洼的，水一倒上去，根本留不住，全变成小水珠滚走了。

我当时就纳闷，这是咋回事呢？后来才知道，原来是这饭盒表面长时间磨损，变得粗糙不平，导致润湿性变差了。

那为啥要研究金属材料表面润湿性呢？这用处可大了去了！在医疗领域，比如说人工关节，要是能让金属表面的润湿性恰到好处，就能减少细菌附着，降低感染的风险。

想象一下，如果人工关节的表面润湿性不好，细菌在上面安了家，那患者得多遭罪啊！在工业上，金属材料表面润湿性的研究也有着重要意义。

比如在印刷电路板的制造过程中，需要让金属表面能够均匀地涂上一层薄薄的涂层。

如果润湿性不好，涂层就会不均匀，这电路板的质量可就没法保证啦。

再比如说汽车制造。

汽车的发动机零件，很多都是金属的。

如果这些零件的表面润湿性不好，润滑油就不能均匀地附着在表面，零件之间的磨损就会加剧，那发动机的寿命可就大大缩短了。

还有在日常生活中，咱们用的不粘锅。

那涂层之所以能让食物不粘，就是因为它改变了金属锅底的表面润湿性，让油和水都不容易附着在上面。

研究金属材料表面润湿性，可不是一件简单的事儿。

科学家们得用各种高科技手段，像什么扫描电子显微镜啦、原子力显微镜啦，来仔细观察金属表面的微观结构。

他们还得做各种各样的实验，来测试不同条件下金属表面的润湿性变化。

而且，要改变金属材料表面的润湿性也有很多方法。

比如说，可以通过化学处理，在金属表面形成一层特殊的化学物质膜；还可以用物理方法，像激光处理、等离子体处理等等。

就拿化学处理来说吧，有一种方法是在金属表面进行阳极氧化。

这就好比给金属穿上了一层特殊的“防护服”，让它的表面性质发生改变，从而改善润湿性。

影响金属陶瓷润湿性的因素总结及处理方法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？润湿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。

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。

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。

金属陶瓷材料金属材料和陶瓷材料是我们在航空航天、船舶、汽车、日用等行业十分常见的材料，已经融入到我们的方方面面。

金属陶瓷作为金属材料和陶瓷材料研发的一种新型复合材料，兼具金属和陶瓷材料的某些优点，受到科研工作者的广泛关注，是材料领域的研究重点之一。

近年来，金属陶瓷的研究成果越来越多，新品种不断出现，理论体系也日趋成熟。

图1 金属陶瓷航空铝材质手机外壳一、金属陶瓷简介金属陶瓷，是一种由金属或合金和一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料，其中后者约占15%～85vol%，当陶瓷含量高于50vol%时，亦可称为陶瓷-金属复合材料。

金属陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中的词头Cer/Cera与金属(Metal)中的词头Met结合起来构成。

金属陶瓷的理想结构是弥散且均匀分布的陶瓷颗粒表面被连续薄膜形态的金属相包裹，其中陶瓷相承受机械应力和热应力，通过连续的金属相分散，金属相因呈薄膜状包裹再陶瓷颗粒表面而得到强化，故金属陶瓷作为介于高温合金和陶瓷材料之间的一种高温材料，具有兼顾金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等性能。

图2 常见材料化学稳定性与抗热冲击性汇总图3 陶瓷材料和金属材料杨氏模量及断裂强度对比二、金属陶瓷的发展史第一代：二战期间，德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷；第二代：60年代美国福特汽车公司发明的，它添加M o到Ni粘结相中改善TiC和其它碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代：金属陶瓷则将N元素引入合金的硬质相，改单一相为复合相，形成Ti(C，N)固溶体；20世纪80年代，硼化物陶瓷由于具有很高的硬度、熔点和优良的导电性、耐腐蚀性，成为最有发展前途的金属陶瓷。

图4 TiC金属陶瓷组织结构示意图三、金属陶瓷材料匹配的原则1、相间热力学匹配：金属相的加入大幅降低陶瓷的烧结温度，改善期脆性。

纯TiC材料因其烧结温度在2000℃高温，晶粒生长较快，致密度和性能较低，加入Ni-Mo金属作为粘接相，形成TiC-Ni-Mo陶瓷金属，可在1300℃烧结，且致密度和机械性能均有提高，详见图5；图5 Ni-Mo金属含量对TiC-Ni-Mo陶瓷金属断裂强度的影响2、相容性：包括陶瓷与金属材料的热膨胀系数、导热系数、弹性模量等的相容性，如两者热膨胀系数相差过大，造成的内应力会降低材料的热稳定性；图6 Ag金属纳米线、氧化铝陶瓷复合超材料薄膜3、相间热稳定性：金属相与陶瓷相之间无剧烈的化学反应。

第28卷第1期硅酸盐学报Vol.28,No.1　2000年2月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY February,2000简 报 Ti对Ni/SiC陶瓷系统润湿性的影响周　颖,李树杰,段辉平,张　坤(北京航空航天大学材料科学与工程系,北京　100083)摘　要:1350℃真空中Ni/SiC陶瓷系统的润湿角约为86°.当Ni中加入Ti时,润湿角随着Ti含量的增加而减小,并且随着保温时间的延长效果更加显著.显微结构分析表明,在陶瓷和金属之间存在反应层,这说明纯Ni和Ni-Ti与S iC陶瓷是化学润湿的.关键词:金属/陶瓷;润湿性;界面反应中图分类号:T Q174文献标识码:A 文章编号:0454-5648(2000)01-0051-03陶瓷与金属的连接以及陶瓷基和金属基复合材料的制备等在很大程度上取决于陶瓷/液态金属之间的润湿性,陶瓷/固相金属的粘接功及界面结合强度也与相应的陶瓷/液态金属润湿性有密切关系[1～3].本课题研究SiC陶瓷与纯Ni的润湿性及T i对N i/SiC系统润湿性的影响,目的在于为SiC陶瓷与金属的接合技术提供理论支持.1　实验方法原料配比以质量计为:N i,N i+3%T i,N i+5%Ti,Ni+ 7%Ti,N i+9%T i,Ni+13%T i.将混合均匀的粉料压制成2mm×1mm的小圆块,并置于水平放置的SiC陶瓷片上,然后在高温界面性能仪中进行加热,保温,计时,照相,并测量润湿角.2　结果和讨论2.1　纯Ni与SiC陶瓷的润湿性图1为熔化时(1350℃)纯Ni液滴在SiC陶瓷基体上的照片.图2表示润湿角随保温时间的变化规律.在1350℃时纯Ni与SiC陶瓷的润湿角约为86°,随保温时间的延长润湿角缓慢减小,因此在本实验条件下,纯Ni润湿SiC陶瓷.图1　刚熔化时(1350℃)纯Ni液滴的形状Fig.1　Pure nikel drop on SiC(1350℃)图2　Ni/SiC润湿角随保温时间变化曲线 Fig.2　Time dependence of the contact angle forpure Ni/SiC ceramic2.2　Ni-Ti金属与SiC陶瓷的润湿性收稿日期:1999-04-19.基金项目:中国航空基础科学基金和国家自然科学基金资助项目(59881001).作者简介:周　颖(1968～),女,硕士,讲师;通讯联系人:李树杰(1947～),男,博士,教授. DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2000.01.0122.2.1　润湿角 表1列出了熔化时不同T i 含量的Ni -Ti 金属与SiC 之间的润湿角.随着T i 含量的增加,润湿角减小,但效果并不显著.2.2.2　界面结构分析 图3表示N i +5%T i 与SiC 陶瓷之间润湿角与保温时间的关系.可见保温时间延长,润湿角急剧下降,这有利于金属与陶瓷界面结合.图4为熔化时Ni +5%T i 与SiC 陶瓷界面的结构.界面处的反应区域分为2层:第1层为靠近SiC 陶瓷的由镍硅化合物/石墨组成的“有序”结构(A 和B 区域),EDX 成分分析表明镍硅化合物中Ni 与Si 的摩尔比接近3∶1,说明产物中出现N i 3Si .第2表1　Ni -Ti /SiC 润湿角数值Table 1　D ata of contact angle for Ni -Ti /SiCw (Ti )/%Contact angl e θ/(°)M elting temperature T /℃373.71442571.51333769.91290965.212901363.51340图3　Ni +5%Ti /SiC 陶瓷的润湿角随保温时间变化规律　Fig .3　T ime dependence of the co ntact ang le for Ni +5%T i /SiCceramic图4　Ni +5%T i /SiC 陶瓷界面显微结构Fig .4　Microstructure at the interface of Ni +5%T i /SiC层为位于残余金属液滴与反应区域之间(C 处)的富Ti 层(Ti 的摩尔分数为98.31%).图5为保温5min 后Ni +5%Ti 与SiC 陶瓷界面结构.反应层仍分为富T i 层(A 区域)和镍硅化合物/石墨的“有序”结构层(A 和B 区域).EDX 成分分析表明富T i 相和镍硅化合物/石墨的成分与未保温的试样相比没有明显改变.但保温后,镍硅化合物有长大的趋势.图5　N i +5%Ti /SiC 陶瓷界面显微结构　Fig .5　M icrostructure at the interface of N i +5%Ti /SiCHolding time :5min2.2.3　讨 论 比较N i +5%T i 和纯Ni 与SiC 陶瓷的界面结构可发现,由于活性金属T i 具有很强的化学活泼性,易在界面聚集并对C 元素产生强烈的吸引,使得Ni -Ti /SiC 界面多一富Ti 层.正是由于Ti 的这种作用促进了界面反应,改善了Ni 与SiC 之间的润湿性.3　结 论(1)1350℃真空中纯Ni /SiC 陶瓷系统的润湿角约为86°.(2)当Ni 中加入T i 时,润湿角随着Ti 含量增加而减小,且随保温时间延长而急剧下降.(3)N i 可与SiC 陶瓷发生化学反应,纯Ni 和N i -T i 系与SiC 陶瓷是化学润湿的.参考文献:[1]　王效东,吴建新,吴人洁.陶瓷/液态金属相互作用研究[J ].材料科学与工程,1996,14(2):15—18.[2]　梅　志,顾明元,吴人洁.金属基复合材料界面表征及其进展[J ].材料科学与工程,1996,14(2):31—37.[3]　Kingery W D 主编.陶瓷导论[M ].清华大学无机非金属材料教研组译,庄炳群校.北京:中国建筑工业出版社,1982.209—214.·52· 硅　酸　盐　学　报 2000年　EFFEC T OF TITANIUM ON WETTABILITY OF Ni/SiC SYSTEMZhou Y ing,Li Shujie,Duan Huiping,Zhang K un (Department of M aterials Science and Engineering,Beijing U-niversity of A ero nautics and Astro nautics,Beijing　100083)A bstract:U nder the applied experimental conditions the contact angle of pure Ni/SiC ceramic at1350℃in vacuum is about 86°.T he w ettability of the sy stem is improved by adding active element Ti in the metallic phase.T he contact angle decreases w ith the increase of the additive content within the test range.M oreover,this effect becomes mo re remarkable with the reac-tion time a t high temperature.M icrostructure studies reveal that a reaction layer exists between the ceramic phase and the metallic phase.T his indicates that chemical wetting occurs in the pure Ni/SiC and Ni-Ti/SiC systems.Key words:metal/ceramic;w ettability;interfacial reactionReceived date:1999-04-19.Biography:Zhou Ying(1968—),female,lecturer;corresponden t:Li Shujie(1947—),male,doctor,profes sor.·53·　第28卷第1期 周　颖等:T i对Ni/SiC陶瓷系统润湿性的影响 。

金属表面润湿性机制及特征描述摘要：金属表面润湿性是指液体在金属表面上的展开程度和与金属表面的相互作用力。

了解金属表面润湿性的机制和特征对于优化金属材料的性能和应用具有重要意义。

本文将从表面润湿性的基本概念入手，介绍金属表面润湿性的机制，包括表面能、表面粗糙度和表面化学成分等因素的影响，以及通过改变金属表面性质实现润湿性调控的方法。

此外，本文还将描述表面张力、接触角等特征参数对金属表面润湿性的定量描述方法，并通过实验数据进行验证。

最后，本文探讨了金属表面润湿性的应用前景和未来研究方向。

1.引言金属材料作为一类广泛应用于各个领域的材料，其表面润湿性对于材料的性能和应用具有重要影响。

例如，在材料涂层、润滑剂、防腐蚀等方面，了解金属表面润湿性的机制和特征可以实现润湿性调控，从而改善材料的性能。

因此，研究金属表面润湿性机制及特征具有重要的理论和实际意义。

2.金属表面润湿性机制2.1 表面能对润湿性的影响表面能是影响液体在固体表面润湿的重要因素之一。

表面能越大，液体在固体表面上的润湿性越好。

金属表面的表面能可以通过测量接触角来确定。

接触角越小，表明液体在金属表面上的润湿性越好。

因此，通过改变金属表面的化学组成或结构，可以调控金属表面的表面能，从而实现润湿性的调控。

2.2 表面粗糙度对润湿性的影响除了表面能外，表面粗糙度也是影响金属表面润湿性的一个重要因素。

实验发现，当金属表面越光滑时，液体在金属表面上的润湿性越好。

表面粗糙度可以通过扫描电子显微镜等方法进行测量。

因此，通过优化金属材料的加工工艺，控制金属表面的粗糙度，可以实现润湿性的调控。

2.3 表面化学成分对润湿性的影响金属表面的化学成分也会对其润湿性产生影响。

不同的化学成分会对金属表面的表面能和化学活性造成改变，从而影响金属表面的润湿性。

例如，通过在金属表面上形成氧化层，可以提高金属表面的润湿性。

此外，金属表面的化学成分还可以通过改变表面的电荷状态来影响润湿性。

3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
❖氮化物的性质
a) 熔点较高
HfN (3310℃)， TiN (2950℃)，TaN (3100℃)，VN (2030℃)，BN、 Si3N4、AlN等不存在熔点，而在高温直接升华，不利于真空条件下使用。
b) 高硬度
TiN 21.6GPa，ZrN 19.9GPa，Si3N4 18GPa，H-BN的硬度很低（莫氏硬 度为2），c-BN硬度很高，仅次于金刚石。
工艺操作较易，a- Si3N4 含量较高， 颗粒较细
3 气相合成法
3SiCl+4NH3=Si3N4+12HCl 3SiCl+16NH3=Si3N4+12NH4Cl
1000-1200°C 下生成非晶 Si3N4，再 热处理而得高纯、超细的a- Si3N4， 但含有害的 Cl 离子
4 热分解法
3Si(NH)2=Si3N4+2NH3 3Si(NH2)4=Si3N4+8NH3
c) 抗氧化能力
到一定温度后，在空气中氮化物就发生氧化，某些氮化物由于氧化时在 表面形成保护层，从而阻碍了进一步的氧化。
d) 导电性能变化很大
导电性: TiN、ZrN、NbN等。 绝缘性：BN, AlN, Si3N4
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3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
❖氮化物的性质 Si3N4陶瓷
第19页/共85页
3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接
❖氮化物的性质 Si3N4陶瓷 Si3N4陶瓷的应用
• 氮化硅基陶瓷刀具 • 氮化硅陶瓷轴承 • 氮化硅陶瓷发动机 • 高温结构部件 • 耐磨部件 • 透波陶瓷-导弹天线窗/罩等 • 高导热陶瓷
第20页/共85页

本试验在 非真空 因此 保证钎料 中
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10 10
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条件下进行 采用流 动氮 气作保护气体 的活性元 素 i T 不 被氧化 至 关重 要
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提 高氢 气的纯 度特 别
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是降低氧 的含量无疑是 一条有效 的途 径 但 这会大 大增 加 掩
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冷到室温 后取 出试样 用金 刚石砂 轮
,
钎料 中 i T 含 童 的 增 加 以 及保护 气氛中或含 量 的 减 少
瑰
一
沿试样 中线切开 通过 扫描 电镜 拍摄断面形貌照 片 最后 测 出润湿角
3
3 1 3 1 I
. . .
C u
iT 钎料 的 润 湿 性提 高 ; 钎料 中 加入 少童 的 n S
。
的润湿性
结论
1
R 和氧反应形 成 了类似于氧化铝的高熔点氧化物所致 e
。 ,
,
随着 iT 含 量的增 加
。 ,
,
C 掩 u
3 %
一
一
一
T 钎料对 氧化铝 基陶 i
、
这一问题有待于进一步研 究
,
瓷的润湿性提高
,
在加热温度为 9 5 0 ℃ 保温 2 0 而 n 的试验 时
,
试验还发现 钎 料中 掩 和 C u 的相对 含量对 润湿性也 有 明显的影响 基体 为 彻卿 O 并 0 的钎料 即使 i T 含量较低
。 ,
1
的第二相是

液态金属与陶瓷界面润湿性的研究进展液态金属与陶瓷之间的界面润湿性是一个重要的研究领域。

液态金属在陶瓷材料应用中具有广泛的用途，例如用于粘接陶瓷和金属之间的结合，或者在陶瓷涂层中起到润湿和渗透的作用。

因此，研究液态金属与陶瓷界面润湿性对于优化金属与陶瓷复合材料的性能具有重要意义。

近年来，关于液态金属与陶瓷界面润湿性的研究逐渐增多，主要包括以下几个方面的进展：1.界面反应机制：液态金属与陶瓷之间的润湿性主要取决于界面反应机制。

一些研究通过表征界面的形态和化学组成来揭示界面润湿性的机制。

例如，研究者通过原子力显微镜（AFM）和电子能谱（XPS）等技术研究液态金属在陶瓷表面的扩散和原子间相互作用，以了解金属与陶瓷之间的界面化学反应过程。

2.界面结构与性能：界面结构对液态金属与陶瓷界面润湿性的影响也是研究的重点之一、研究者通过高分辨率透射电镜（HRTEM）等技术对界面结构进行观察和分析，并探索界面结构与润湿性能之间的关系。

此外，一些研究还通过模拟和计算方法，如分子动力学模拟（MD）和密度泛函理论（DFT），来研究界面结构的变化对润湿性能的影响。

3.界面改性技术：为了改善液态金属与陶瓷界面的润湿性，研究者提出了许多界面改性技术。

其中一种常用的方法是使用活性元素对界面进行改性，例如在陶瓷表面形成金属活性层，以提高金属与陶瓷之间的润湿性。

此外，还有一些研究通过界面电场调控、界面涂层改性等方式来改善液态金属与陶瓷界面润湿性。

4.应用研究：液态金属与陶瓷界面润湿性研究的进展也促进了金属与陶瓷复合材料在实际应用中的发展。

例如，在陶瓷涂层方面，一些研究通过调控液态金属与陶瓷界面润湿性，实现了液态金属涂层在陶瓷基体上的有效润湿和渗透。

另外，在陶瓷和金属的连接技术方面，也有研究通过调控液态金属与陶瓷界面润湿性，实现了陶瓷和金属之间可靠的连接。

总的来说，液态金属与陶瓷界面润湿性的研究进展包括界面反应机制、界面结构与性能、界面改性技术和应用研究等方面。

材料选择：
根据不同的应用场景，选择具有优良性能的金属和陶瓷材料是实现良好界面 结合的关键。在选择材料时，需考虑以下因素：化学稳定性、热稳定性、力学性 能匹配、成本等。常见的金属材料包括不锈钢、铝合金、钛合金等，而陶瓷材料 则包括氧化铝、氮化硅、碳化硅等。根据实际需求，结合材料的性质和应用领域， 选择合适的材料是界面优化设计的关键。
物理模拟：
优化后的界面需通过物理模拟方法进行性能评估。利用第一原理方法，可以 模拟界面的力学性能，如弹性模量、硬度、断裂韧性等。此外，还可以模拟界面 的化学性能，如腐蚀行为、抗氧化性能等。同时，通过第一原理方法还可以模拟 界面的物理性能，如热导率、电导率等。这些模拟结果将为界面性能优化提供重 要参考依据。
引言：
金属—陶瓷界面结合在众多领域具有广泛的应用，如陶瓷金属复合材料、电 子封装、汽车尾气处理等。界面在复合材料中发挥着至关重要的作用，其性能直 接影响到材料的整体性能。然而，金属和陶瓷材料在成分、结构和性质等方面存 在较大差异，如何实现它们之间的良好结合是一个具有挑战性的问题。因此，对 金属—陶瓷界面结合进行深入研究具有重要的实际意义。
近年来，随着实验技术的进步，越来越多的研究者开始液态金属与陶瓷界面 润湿性的研究。例如，研究者们通过改变液态金属的成分、陶瓷的表面处理方法 以及环境气氛等条件来调控液态金属与陶瓷界面的润湿性。这些研究成果为进一 步理解液态金属与陶瓷界面润湿性的机制提供了重要的参考。
液态金属与陶瓷界面润湿性的研究方法：
1、金属—陶瓷界面结合的跨尺度模拟：通过建立从微观到宏观的多尺度模 型，实现对界面在不同尺度下的性能预测与优化。
2、新型金属—陶瓷界面材料的设计与开发：针对特定应用场景，设计新型 金属—陶瓷界面材料，以满足更高的性能要求。

材料表面的湿润性与防腐蚀性能引言：材料的表面湿润性和防腐蚀性能是关乎到材料质量和使用寿命的重要因素之一。

湿润性是指液体在材料表面的附着程度，而防腐蚀性能则涉及材料在各种环境条件下的抵抗腐蚀的能力。

本文将探讨材料表面的湿润性与防腐蚀性能之间的关系，并介绍一些提升湿润性和防腐蚀性能的方法。

一、湿润性与表面能湿润性与材料表面能密切相关。

表面能是指材料表面吸引其他物质进入表面的能力。

在液体接触材料表面时，液滴在表面上展开或聚拢的程度取决于表面能。

表面能高的材料容易被液体湿润，液滴可在表面上展开，形成扁平的液体膜；而表面能低的材料则给液体形成球状的液滴，液滴无法完全展开和附着在表面上。

二、影响湿润性的因素1. 表面粗糙度：较粗糙的表面会使液滴无法均匀分布，无法完全湿润，附着力较弱。

相比之下，光滑表面有助于液滴展开和附着。

2. 材料本身的化学性质：部分材料具有亲水性或疏水性。

亲水性材料容易被水湿润，而疏水性材料则抵抗水分的湿润。

3. 表面处理：一些化学处理方法可以改变表面性质，增强湿润性。

例如，表面涂覆、等离子体处理等。

三、湿润性与防腐蚀性能的关系湿润性和防腐蚀性能之间存在密切关系。

一个材料表面的湿润性良好，液体更容易与其接触，形成较大的接触角，从而有助于材料与外部环境中的液体分子的交换。

这对于防止腐蚀非常重要，因为腐蚀往往是由与材料表面接触的液体中的氧、氯等元素引起的。

四、提升湿润性和防腐蚀性能的方法1. 表面处理：通过改变材料表面的化学性质来增加湿润性。

例如，采用化学或物理方法在材料表面形成氧化层、氮化层等，可以增加表面的亲和力。

2. 表面涂层：选择合适的涂层材料，形成一层覆盖在材料表面的保护层，以增强防腐蚀性能。

这些涂层可以是陶瓷、聚合物、金属等，可以提供额外的阻隔层，防止液体和气体与材料直接接触。

3. 结构设计：通过改变材料表面的结构特征，如凹凸形态、纳米结构等，可以增加材料与液体接触面积，进而提高湿润性和防腐蚀性能。

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
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
(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。
(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。

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转变, 当 ∃Gw 大于 0 时, 接触角明显很高。在金属 陶瓷体系中, 加入合金元素要达到促进界面 反应, 降低 ∃Gw 的目的, 否则难以通过加入合金元素改善润湿性。 31 统计热力学方法 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, 可将陶瓷相如 SiC、 T iC、 T aC、 W C, A l2O 3 等粒子 看作为单一种类的相。 这样金属与陶瓷之间形成了伪二元共晶系。 将金属原子, 陶瓷分子分别看作 A , B ( 其自由能变化见图 5) , 则有[ 24 ]: 表 9 金属 ( 合金) A l2O 3 的接触角, ∃ Gw , ∃ G surf [ 33 ] 2 3 A B = b (V B N b) 金属 温度 ΡL V ∃G r ∃Gw ∃G surf r Η( 度) ( 19) ( 合金) ( ℃) ( KJ m o l) (m J ・m - 2 ) (m J ・m - 2 ) ( kJ m o l) A B 为陶瓷在与金属 1183 0. 1 238. 7 1300 - 182. 0 135. 17 134 Cu 结合时界面的有效面积; 1555 0. 01 156. 4 1660 - 17. 50 69. 12 128 Ni b 为陶瓷分子中的原 1635 0. 03 110. 3 1840 - 174. 3 28. 50 110 Fe 子数; 432 0. 2 185. 3 542 - 195. 9 25. 41 114 Sn V B 为陶瓷的体积分 523 0. 15 224. 6 442 - 194. 5 81. 34 134 Pb 数; 10 1300 - 172. 2 - 83. 27 14 N 为 阿 佛 加 德 罗 常 Cu 25% T i 1150 0. 1 1950 0. 1 53 1590 - 173. 0 - 22. 90 65 数。 Cr 界面上单位面积上的 1345 0. 1 38. 5 1060 - 129. 8 - 48. 84 70 Mn 陶瓷分子数 n s 为: 2 3 ( 20) n s = (N V S ) 其中 V S 为有效的体积分数, 且 1 2 V S = X 2V B b + ( 1 - X 2 ) V A ; 同理, 对于液态金属可得: 2 3 ( 21) nL = (N V L ) 1 2 ( 22) V L = X 1V B b + ( 1 - X 1 ) V A 但是, 目前多数陶瓷化合物的熔化潜热的有关数据很少。N aza re 和 O nd rack 给出了立方 离子固体的熔化热与熔点的关系: ( 23) H B = 25T B 因此可以得出表面张力的经验公式: 2 3 ( 24) ΡSL (B ) = K T B V B - 4 - 4 其中, K 为经验常数。对于大多数纯金属, K 在 5×10 到 8×10 之间。考虑到陶瓷与金 属的实际界面情况, 可以将式 ( 24) 改写为: ( 25) ΡSL (B ) = K T B b (V B b) 2 3 另外, 金属液体的表面张力为: ( 26) ΡSL (C ) = nF 6 N 其中 ) 2 + R T [X ′ ) ln ( 1 - X ′ ) ] - R T lnX 1 [ X ′ (1 - X ′ ) ] ( 27) F 6 = F 3 (X ′ lnX ′ + (1 - X ′ R 为普适气体常数, T 为绝对温度。 所以金属 陶瓷的界面张力为: ( 28) ΡSL = ΡSL (B ) + ΡSL (C ) 表 10 给出了一些陶瓷 金属体系的润湿性的有关数据。 从表中可以看出, 碳化物与金属的 ΡSL 与实验值有很好的一致, 说明了用伪二元系模型处理金属 陶瓷的润湿性是相当可行的。但 ・29・