導    讀

金屬熔體/陶瓷固體的潤濕性研究在金屬/陶瓷復合材料制備、金屬/陶瓷焊接、鋼液除雜等領域意義重大。金屬熔體/陶瓷固體體系的潤濕性受多種因素的影響，東北大學苗鵬、劉鐵等人從潤濕過程機制、潤濕性表征方法和潤濕性影響因素三個方面，綜述了金屬熔體/陶瓷固體潤濕性的實驗研究進展，并提出了發展方向。

1.文章亮點

(1) 根據金屬熔體與陶瓷基板間是否發生影響潤濕性的化學反應將潤濕體系分為：非反應性潤濕與反應性潤濕體系。

(2) 金屬熔體/陶瓷固體間潤濕性影響因素：非反應性潤濕通常受體系本身性質、基板表面情況及氣氛條件的影響，而反應性潤濕除以上因素還受到一些其他因素的影響，如溫度、活性元素的添加、外場的施加等。

 (3) 金屬熔體/陶瓷基板間潤濕性的影響：隨著溫度的提高，非反應性潤濕體系的金屬 熔體的粘度和表面張力降低，反應性潤濕體系界面處的溶解、擴散及反應會增強，所以體系的潤濕性應該提高；對于反應性潤濕體系，提高溫度通過促進反應進而提高金屬熔體在陶瓷基板上的潤濕性。

 (4) 氣氛對金屬熔體/陶瓷基板間潤濕性的影響：氧氣、惰性氣體等氣氛環境對金屬熔體在陶瓷基板上的潤濕性有重要的影響，其中氧氣的作用效果尤為顯著。由于金屬熔體極易氧化，氧化膜不僅會改變金屬熔體的表面能，也會抑制金屬熔體在基底表面的鋪展，還會改變固/液界面原子間的相互作用和界面反應，從而顯著影響潤濕性。

 (5) 外場對金屬熔體/陶瓷基板間潤濕性的影響：通過施加外場，如強磁場、電場及超聲波場來調控金屬熔體/陶瓷間的潤濕性，并取得顯著的效果。

2.圖文簡介

1805年，潤濕科學研究的先驅者Thomas Young提出表征平衡態固-液-氣三相界面能與接觸角間的平衡方程（式1），并沿用至今。接觸角為固、液、氣三相交匯處固/液界面和液/氣界面的切線之間液體內部的夾角（圖1）。

σsv=σsl+σlvcosθ （1）

其中，σsv、σsl和σlv分別表示固/氣、固/液和液/氣界面能，θ為接觸角，θ范圍為0°~180°，接觸角大于90°時潤濕性較差（不潤濕），而接觸角小于90°時潤濕性良好（潤濕）。式(1)成立是基于基板表面為理想表面（表面光滑，均質，剛性，惰性）且固-液-氣三相在交匯處力學平衡。

圖1 潤濕系統示意圖

Fig.1 Schematic diagram of wetting system

根據金屬熔體與陶瓷基板間是否發生影響潤濕性的化學反應將潤濕體系分為2類，非反應性潤濕與反應性潤濕體系（圖2），固/液界面處是否有反應層生成為兩種類型潤濕體系最明顯的區別。非反應性潤濕一般為物理潤濕，通常受到重力、毛細力、表面張力、毛細作用以及粘滯力的影響。而反應性潤濕與活性元素的吸附、基板的溶解、液/固界面的擴散、反應以及化合物的生成等密切相關。可見，兩種類型潤濕的潤濕機制差別較大，且非反應性潤濕兩相間的結合力遠小于反應性潤濕，所以兩種類型的研究及發展方向差別較大甚至相反。

圖2 非反應性潤濕與反應性潤濕體系

     Fig.2 Non-reactive and reactive wetting systems

最常見的研究基板表面情況對潤濕性和接觸角遲滯現象影響的模型為Wenzel模型，Cassie模型和混合模型，如圖3所示。

圖3 Wenzel 模型，Cassie 模型，混合模型，復合（非均質）材料表面潤濕

 Fig.3 Wenzel model, Cassie model, Mixed modeland composite (heterogeneous)  material surface wetting

眾多研究學者發現，向金屬熔體內添加活性元素（Ti、Zr和Cu等）顯著促進了金屬熔體與陶瓷材料間的潤濕性，可由不潤濕轉變為潤濕。然而，對于不同體系，有時添加過量的活性元素反而會削弱對潤濕的促進效果。此外，過量添加活性元素有時不僅不會進一步促進潤濕，甚至會導致界面處孔洞、脆性相增多，也會增加由反應物和產物間的密度差異導致的殘余應力（圖4-5）。

圖4 Sn0.3Ag0.7Cu-xTi/Al2O3潤濕示意圖

Fig.4 Schematic of Sn0.3Ag0.7Cu-xTi wetting on  alumina

圖5 Cu-8.6Zr-xTi/AIN體系樣品界面微觀形貌及元素分布

Fig.5 Cross-section microstructure and element distribution at interface center of Cu-8.6Zr-xTi/AIN system

強磁場會對物質產生磁化能、磁力矩、磁化力、洛倫茲力及磁偶極子等作用效果，且隨著磁場強度的增大，上述效應會顯著增強。而研究表明強磁場會對固/液界面能和液/氣界面能產生顯著影響，結合Young′s方程可知，強磁場可對金屬熔體在陶瓷基板上的潤濕性產生較大影響（圖6）。

圖6 強磁場下熔融金屬在固體基底上的潤濕行為觀測裝置整體示意圖
Fig.6 Schematic diagrams of the overall setup designed to measure the wetting behavior of molten metals on solid substrates under high magnetic field

3.結論

(1) 接觸角是被普遍接受用于表征和衡量潤濕性的參數。金屬熔體與陶瓷材料間的潤濕性極易受到多種因素影響，獲得可重復的結果難度極大，所以研究學者為了準確衡量金屬熔體/陶瓷材料間的潤濕性研發了多種接觸角觀測方法。

(2) 金屬熔體/陶瓷材料間的潤濕是一個很復雜且高敏感性的物理化學現象。通過改變影響潤濕性的相關因素可實現不同體系潤濕性的調控，如提高溫度促進元素擴散及界面反應，添加活性元素改變反應類型及程度，設計基板表面粗糙度實現潤濕模型轉變。但大量研究表明，對同種金屬熔體/陶瓷材料體系采用完全相同的手段進行調控時，獲得的結果存在差異。因此，對于金屬熔體與陶瓷間潤濕性的研究方法需不斷改進，對于實驗條件需嚴格控制，對于實驗標準需實現統一。

(3) 潤濕性的調控技術不僅需要繼續深入研究，還需要不斷豐富、發展新技術手段。如近年來提出的外加外場，眾多研究表明該類調控技術效果顯著，且對潤濕體系本身性質不會產生影響。但該類技術仍處于初步探索階段，還需對其內在作用機理進行深入分析，以求從現象分析達到理論預測，從而為潤濕性調控技術提供更多可能性。

本文引用格式：苗鵬,劉鐵,何成雨,朱成美,袁雙,王強.金屬熔體/陶瓷間潤濕性的測量及調控研究進展[J].鑄造技術,2022,43(03):153-166.

DOI:10.16410/j.issn1000-8365.2022.03.001.

作者簡介

苗 鵬（1994—），博士生. 研究方向：強磁場下熔融金屬潤濕性.

電話：18295899113，

Email:m18295899113@163.com

劉  鐵（1975—），教授. 研究方向：強磁場下合金凝固行為及其組織控制，新能源材料制備，電磁流體力學理論及其應用.

電話：02483685967，

Email：liutie@epm.neu.edu.cn