金属/陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展

金属/陶瓷体系的润湿性研究在金属与陶瓷的连接、金属液的熔炼和提纯、浸渗法和液相法制备复合材料等领域都有着重要意义。金属熔体在陶瓷表面的润湿过程中,会出现基板在熔体中溶解、界面吸附和互相反应等,是一种较为复杂的物理化学现象。有关金属/陶瓷润湿性的实验和理论研究一直是国际上材料学领域的热点之一。目前金属/陶瓷润湿性主要通过测量接触角θ(借助Young's方程计算)来得出,润湿性表征方法存在较大局限性,特别是接触角对实验条件高度敏感,其往往难以准确反映润湿性,以及适用于高熔点合金与陶瓷体系的方法较为缺乏。因此,除对接触角测试方法进行改进外,很多研究者也试图通过理论计算来考察润湿性,但至今尚未发展出能够很好地应用于所有金属/陶瓷体系的理论预测模型。润湿性实验表征方法的近期研究主要集中在改良座滴法、滴定法、毛细上升法和感应熔化法等。其中,改良座滴法相比传统座滴法能够消除熔体表面氧化膜的影响。感应熔化法可以使高熔点合金(如Ti合金等)熔化,具有独特优势(相比之下其他几种方法只适用于Al系、Mg系等低熔点合金与陶瓷的体系)。在理论预测模型方面,除直接基于Young's方程,根据表面张力模型来研究润湿性外,也有学者尝试结合YoungDupré方程,从热力学和原子键的角度揭示反应界面润湿性的内在规律。同时,将润湿视为一种反应现象,对界面反应吉布斯自由能变化和润湿过程中表面相的能量变化加以考虑,也形成了一种新的定性衡量润湿性的标准。此外,研究者还在润湿铺展动力学方面取得了一些重要成果,包括直接根据金属形核理论来计算润湿角,以及利用如流体动力学模型、分子动力学模型、反应控制模型和扩散控制模型等来预测金属/陶瓷体系的润湿速率。本文主要从润湿过程的机制、接触角的测试方法和用以预测润湿性的理论模型三个方面,综述了金属/陶瓷润湿性领域的实验和理论研究进展。