金属熔体在石墨和Al2O3上的润湿性及铺展动力学

作     者：杨媛 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱定一

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：润湿性 Au-Si合金 Ag-Ti合金 界面 铺展动力学 

摘      要：探讨金属合金与增强体的润湿机理,揭示其铺展动力学规律对于优化金属基复合材料的制备工艺具有重要理论指导意义。目前国际上关于润湿机制还存在很大的争议,已有的润湿铺展动力学模型都是以接触角或液滴铺展半径与时间的关系为表达式,没有揭示出铺展驱动力的本质。本文在有限界面热力学计算模型的基础上,推导了反应润湿体系的铺展动力学方程。采用改良的座滴法研究了 Au-Si/石墨、Ag-Ti/Al203体系的润湿性,结合XRD、EDS、SEM等检测技术分析了试样的界面微观形貌,利用本文建立的铺展动力学模型对体系的动力学变化规律进行了预测。获得的主要研究结果如下:(1)在一定温度条件下,Si的添加能显著改善Au与石墨的润湿性,随着合金浓度增加,体系达到平衡状态所用的时间缩短,最终接触角减小。这主要是由于活性元素Si与石墨溶解产生的C发生反应并在金属/石墨界面处生成较为连续的SiC层,形成新的金属/陶瓷界面,从而降低了固/液界面能,导致体系接触角减小。(2)Au-Si合金与石墨初始润湿阶段受到石墨板溶解和活性元素在界面与表面吸附的影响,并且温度越低,影响作用越明显。而体系润湿性的主要决定因素是界面反应,1373-1473 K温度范围内时Au-30at.%S/石墨体系的终态接触角在100°-16°之间,随温度升高,体系由不润湿转变为润湿,达到平衡状态所需的时间变短。(3)1373K-1473K温度范围内,Ag-4at.%Ti合金熔体在A1203基板上润湿铺展时初始接触角和终态接触角均对温度有一定程度的依耐性,均随温度以近似线性的关系变化。界面反应和活性元素Ti在界面的吸附共同决定了体系的润湿性,但界面反应起主要作用。随着温度升高,体系的界面反应加剧,产物层厚度明显增大,并出现了分层现象,这跟析出产物的类型和先后顺序有关。(4)利用固/液界面能的变化率对反应润湿过程进行描述,发现润湿过程与界面处的化学反应密切相关,从能量角度阐述了润湿铺展机制,并预测了固/液界面能随反应时间的延长呈指数关系降低。在反应控制阶段,理论计算与实验结果一致。通过本文建立的动力学方程求解了 Au-Si/石墨体系反应的表观活化能。