技術(shù)文章
在許多工業(yè)領(lǐng)域,如金屬基復(fù)合材料的制備、高溫防護(hù)涂層的燒結(jié)、釬焊陶瓷與金屬、以及核燃料棒包殼材料的研發(fā)中,熔融陶瓷(或玻璃質(zhì))材料與高溫固體基底(如金屬、合金或其他陶瓷)之間的相互作用是決定最終產(chǎn)品性能的核心環(huán)節(jié)。潤濕性,最直觀地通過接觸角來表征,是評判這種相互作用好壞的首要指標(biāo)。
接觸角θ越小,表明潤濕性越好,熔體越容易在固體表面鋪展;反之,θ越大(如>90°),則潤濕性差,熔體傾向于團(tuán)聚。因此,高溫接觸角測試成為了解和掌控陶瓷材料在高溫環(huán)境下行為規(guī)律的“眼睛"。高溫接觸角測試的基本原理與常溫下的座滴法(Sessile Drop Method)一脈相承。其核心過程是:
1.將制備好的陶瓷樣品(通常制成小塊、圓柱或球體)放置于基底材料之上。
2.將二者一同置于高溫爐中,在可控氣氛(高真空、惰性氣體或特定反應(yīng)氣體)下,以預(yù)定程序加熱。
3.當(dāng)溫度升至超過陶瓷的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)時,陶瓷開始熔化,形成一個液滴坐在固體基底上。
4.通過觀察窗,利用高速攝像機(jī)記錄熔融陶瓷液滴的形態(tài)演變過程。
5.最終,在系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡或準(zhǔn)平衡狀態(tài)時,通過圖像分析軟件提取液滴輪廓,并采用Young-Laplace方程擬合,計(jì)算出最終的平衡接觸角。
影響熔融陶瓷高溫接觸角的主要因素包括:
1.材料本身性質(zhì):陶瓷熔體的表面張力(γlv)和基底的表面能(γsv)是決定平衡接觸角的內(nèi)在熱力學(xué)參數(shù)。
2.溫度:溫度升高通常會降低熔體的表面張力和粘度,同時促進(jìn)界面反應(yīng),從而顯著影響接觸角。
3.氣氛:氧分壓對氧化物陶瓷的潤濕行為影響巨大。微量的氧氣也可能改變金屬基底的表面張力。
4.界面化學(xué)反應(yīng):若熔融陶瓷與基底發(fā)生反應(yīng),生成新的界面化合物,會從根本上改變界面能(γsl),通常能改善潤濕性(降低θ)。例如,含Ti活性釬料在陶瓷表面的鋪展。
5.表面粗糙度與孔隙率:基底的物理形貌會對表觀接觸角產(chǎn)生顯著影響,通常粗糙度會放大其本征潤濕趨勢。
高溫接觸角測試技術(shù),通過精確模擬“將陶瓷溶解(熔融)到樣品上"的真實(shí)高溫過程,為我們提供了定量研究陶瓷材料高溫潤濕與界面行為的強(qiáng)大工具。它所獲得的動力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù),是理解和優(yōu)化眾多高溫工藝不可huo缺的核心依據(jù)。
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