理论教育 高温液相的润湿性优化

高温液相的润湿性优化

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:熔融釉的润湿性好,才能完全覆盖釉下的坯体。但是,要构成均匀一致的金属陶瓷就需要液体金属在高温下对陶瓷有良好的润湿性。这主要是由于液态Co、Ni在WC表面的接触角接近0°,从而在WC表面有很好的润湿性。故高温下的液态在固体表面有了良好的润湿性,并不一定使材料界面结合有很好的稳定性。在此过程中,工人加入松香的一个目的是为了改善钎料在母材表面的润湿性。

高温液相的润湿性优化

读者在物理化学课中已经学习过润湿。你们可能还记得,在一定的条件下,可用表面Gibbs自由能之差作为润湿过程的推动力。发生浸湿时(润湿角θ<90°),固-气界面完全被固-液界面所取代,液-气界面不发生变化。固体单位表面积Gibbs自由能的变化:

在一定温度、压力下,组成不变时,γSG、γLG是一常数。由式(5-21)可知,界面能γSL的下降引起接触角θ下降。同时,根据式(5-25),浸湿过程的ΔG也下降。因而,在一定条件下,固-液界面能和接触角的下降有利于系统的稳定,固-液界面的结合也越牢固。故为了使液体能覆盖固体表面并有较强的结合力,人们常要求液体对固体表面有较好的润湿性,比如下面一些例子。

陶瓷和搪瓷坯体表面的釉在高温下要完全熔融为液态。熔融釉的润湿性好,才能完全覆盖釉下的坯体。冷却后的釉才可能在界面处与坯体紧密结合,发挥其作用。

金属材料的焊接(welding)中,有一类叫钎焊(brazing)的方法。钎焊是把熔点比待焊接母材低的金属熔化,而使之进入母材接头间隙来完成焊接的一种方法。在整个焊接过程中,母材不被熔化。其中,熔点低的金属称为钎料。最常见的钎焊就是维修电器设备时,在电路板上的焊接。工人在焊接时,要先用电烙铁蘸点松香,然后把焊锡丝熔化,再进行焊接。在此过程中,工人加入松香的一个目的是为了改善钎料在母材表面的润湿性。(www.daowen.com)

电真空等电子器件需要利用不同材质的性能。这些不同材料的接触界面往往需要密封,如金属与玻璃(或陶瓷)的封接。这些封接首先要求封接剂在金属与玻璃(或陶瓷)间要有良好的润湿性。对于陶瓷与金属的封接,人们常采用焊接的方法。在此焊接过程中,人们使用焊料在陶瓷表面形成能润湿陶瓷的液相合金,从而实现陶瓷与金属的封接。若焊料不能直接润湿陶瓷,则需要预先在陶瓷表面上镀一层金属层。目前最常用的陶瓷表面金属化方法是利用Mo-Mn结合物发生反应而在界面生成流动的液态氧化物。该氧化物既能润湿固体金属又能润湿氧化物陶瓷。这种方法可产生满意的黏附力并形成坚固的金属化覆盖层,然后这种覆盖层又可在金属钎焊时被熔融钎料所润湿。

润湿对一类金属基复合材料(metal matrix composite)同样非常重要。这类材料就是1950年代出现的金属陶瓷(cermet)。当时,科学家、工程师们为弥补陶瓷缺乏塑性的弱点,而在陶瓷材料中添加金属。但是,要构成均匀一致的金属陶瓷就需要液体金属在高温下对陶瓷有良好的润湿性。有良好润湿性的金属才能渗入陶瓷颗粒的间隙,就如同图5.18(a)(b)所示那样。这样陶瓷颗粒才能被金属包围。当这种金属陶瓷受到外力作用时,它就依靠金属的塑性变形来消耗一部分外加负荷的能量。理想中的金属陶瓷既有金属的韧性,又有陶瓷的耐磨性、耐高温和高硬度等性能。陶瓷的组分主要是氧化物(Al2O3)、硼化物(ZrB2)、碳化物(WC)和氮化物(TiN)等。然而,除了钴、铝镍合金对某些碳化物(如WC)具有良好的润湿性外,其他金属陶瓷中的金属均未达到良好的润湿性状。这使得金属陶瓷的发展很缓慢。

但金属陶瓷中的硬质合金(cemented carbides)却得到了较为充分的发展。硬质合金主要是指WC、TiC、TiN、TiCN等陶瓷相与Co、Ni等金属相一起混合后采用烧结或热等静压法而制备出的金属基体复合材料。其中WC/Co是1927年得到的第一种硬质合金,至今发展得比较成熟,并已广泛地用作切削金属的刀具材料。这主要是由于液态Co、Ni在WC表面的接触角接近0°,从而在WC表面有很好的润湿性。

高温下的液态随着温度的降低会凝固成固态,而且与基体材料有不同程度的收缩。因此,在它们的界面处,开裂、脱落等现象可能会因黏附力不足而产生。故高温下的液态在固体表面有了良好的润湿性,并不一定使材料界面结合有很好的稳定性。在多晶、多相材料的制备过程中,即使没有液相出现,但由于多晶、多相材料的膨胀收缩不一致也会影响界面结合的稳定性。表征材料膨胀收缩性能随温度变化的参数为热膨胀系数。

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