导    读

金属熔体/陶瓷固体的润湿性研究在金属/陶瓷复合材料制备、金属/陶瓷焊接、钢液除杂等领域意义重大。金属熔体/陶瓷固体体系的润湿性受多种因素的影响，东北大学苗鹏、刘铁等人从润湿过程机制、润湿性表征方法和润湿性影响因素三个方面，综述了金属熔体/陶瓷固体润湿性的实验研究进展，并提出了发展方向。

1.文章亮点

(1) 根据金属熔体与陶瓷基板间是否发生影响润湿性的化学反应将润湿体系分为：非反应性润湿与反应性润湿体系。

(2) 金属熔体/陶瓷固体间润湿性影响因素：非反应性润湿通常受体系本身性质、基板表面情况及气氛条件的影响，而反应性润湿除以上因素还受到一些其他因素的影响，如温度、活性元素的添加、外场的施加等。

 (3) 金属熔体/陶瓷基板间润湿性的影响：随着温度的提高，非反应性润湿体系的金属 熔体的粘度和表面张力降低，反应性润湿体系界面处的溶解、扩散及反应会增强，所以体系的润湿性应该提高；对于反应性润湿体系，提高温度通过促进反应进而提高金属熔体在陶瓷基板上的润湿性。

 (4) 气氛对金属熔体/陶瓷基板间润湿性的影响：氧气、惰性气体等气氛环境对金属熔体在陶瓷基板上的润湿性有重要的影响，其中氧气的作用效果尤为显著。由于金属熔体极易氧化，氧化膜不仅会改变金属熔体的表面能，也会抑制金属熔体在基底表面的铺展，还会改变固/液界面原子间的相互作用和界面反应，从而显著影响润湿性。

 (5) 外场对金属熔体/陶瓷基板间润湿性的影响：通过施加外场，如强磁场、电场及超声波场来调控金属熔体/陶瓷间的润湿性，并取得显著的效果。

2.图文简介

1805年，润湿科学研究的先驱者Thomas Young提出表征平衡态固-液-气三相界面能与接触角间的平衡方程（式1），并沿用至今。接触角为固、液、气三相交汇处固/液界面和液/气界面的切线之间液体内部的夹角（图1）。

σsv=σsl+σlvcosθ （1）

其中，σsv、σsl和σlv分别表示固/气、固/液和液/气界面能，θ为接触角，θ范围为0°~180°，接触角大于90°时润湿性较差（不润湿），而接触角小于90°时润湿性良好（润湿）。式(1)成立是基于基板表面为理想表面（表面光滑，均质，刚性，惰性）且固-液-气三相在交汇处力学平衡。

图1 润湿系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of wetting system

根据金属熔体与陶瓷基板间是否发生影响润湿性的化学反应将润湿体系分为2类，非反应性润湿与反应性润湿体系（图2），固/液界面处是否有反应层生成为两种类型润湿体系最明显的区别。非反应性润湿一般为物理润湿，通常受到重力、毛细力、表面张力、毛细作用以及粘滞力的影响。而反应性润湿与活性元素的吸附、基板的溶解、液/固界面的扩散、反应以及化合物的生成等密切相关。可见，两种类型润湿的润湿机制差别较大，且非反应性润湿两相间的结合力远小于反应性润湿，所以两种类型的研究及发展方向差别较大甚至相反。

图2 非反应性润湿与反应性润湿体系

     Fig.2 Non-reactive and reactive wetting systems

最常见的研究基板表面情况对润湿性和接触角迟滞现象影响的模型为Wenzel模型，Cassie模型和混合模型，如图3所示。

图3 Wenzel 模型，Cassie 模型，混合模型，复合（非均质）材料表面润湿

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

众多研究学者发现，向金属熔体内添加活性元素（Ti、Zr和Cu等）显著促进了金属熔体与陶瓷材料间的润湿性，可由不润湿转变为润湿。然而，对于不同体系，有时添加过量的活性元素反而会削弱对润湿的促进效果。此外，过量添加活性元素有时不仅不会进一步促进润湿，甚至会导致界面处孔洞、脆性相增多，也会增加由反应物和产物间的密度差异导致的残余应力（图4-5）。

图4 Sn0.3Ag0.7Cu-xTi/Al2O3润湿示意图

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

图5 Cu-8.6Zr-xTi/AIN体系样品界面微观形貌及元素分布

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

强磁场会对物质产生磁化能、磁力矩、磁化力、洛伦兹力及磁偶极子等作用效果，且随着磁场强度的增大，上述效应会显著增强。而研究表明强磁场会对固/液界面能和液/气界面能产生显著影响，结合Young′s方程可知，强磁场可对金属熔体在陶瓷基板上的润湿性产生较大影响（图6）。

图6 强磁场下熔融金属在固体基底上的润湿行为观测装置整体示意图
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.结论

(1) 接触角是被普遍接受用于表征和衡量润湿性的参数。金属熔体与陶瓷材料间的润湿性极易受到多种因素影响，获得可重复的结果难度极大，所以研究学者为了准确衡量金属熔体/陶瓷材料间的润湿性研发了多种接触角观测方法。

(2) 金属熔体/陶瓷材料间的润湿是一个很复杂且高敏感性的物理化学现象。通过改变影响润湿性的相关因素可实现不同体系润湿性的调控，如提高温度促进元素扩散及界面反应，添加活性元素改变反应类型及程度，设计基板表面粗糙度实现润湿模型转变。但大量研究表明，对同种金属熔体/陶瓷材料体系采用完全相同的手段进行调控时，获得的结果存在差异。因此，对于金属熔体与陶瓷间润湿性的研究方法需不断改进，对于实验条件需严格控制，对于实验标准需实现统一。

(3) 润湿性的调控技术不仅需要继续深入研究，还需要不断丰富、发展新技术手段。如近年来提出的外加外场，众多研究表明该类调控技术效果显著，且对润湿体系本身性质不会产生影响。但该类技术仍处于初步探索阶段，还需对其内在作用机理进行深入分析，以求从现象分析达到理论预测，从而为润湿性调控技术提供更多可能性。

本文引用格式：苗鹏,刘铁,何成雨,朱成美,袁双,王强.金属熔体/陶瓷间润湿性的测量及调控研究进展[J].铸造技术,2022,43(03):153-166.

DOI:10.16410/j.issn1000-8365.2022.03.001.

作者简介

苗 鹏（1994—），博士生. 研究方向：强磁场下熔融金属润湿性.

电话：18295899113，

Email:m18295899113@163.com

刘  铁（1975—），教授. 研究方向：强磁场下合金凝固行为及其组织控制，新能源材料制备，电磁流体力学理论及其应用.

电话：02483685967，

Email：liutie@epm.neu.edu.cn