ScriptaMaterialia表面能对金属基复合材料渗透率的影响

　　渗透法是生产复合材料的主要方法之一，即使流体形式的基质侵入增强相固体预制体的开放孔隙中。渗透法可以生产陶瓷、金属或聚合物基体的复合材料，增强相可以在各种几何形状中选择，包括纤维、微孔固体或颗粒，渗透过程一直是材料界和其他学科或技术领域广泛研究的主题，例如土壤科学、水库工程或化学工程。这个方向已有大量的分析和文章。在实验中，渗透过程可能是高度滞后的，这意味着需要花费比SfWi更多的时间和精力来制备复合材料。当流体侵入多孔预成型体时，存在不可逆能量损失。 在金属/增强体系统中，存在两种明显不属于金属和增强体之间化学反应的界面相现象， （1）与液体/蒸汽界面相关的表面能，这种界面必须暂时存在于部分饱和预制体的平衡结构中，（2）在其暂时被钉扎的点之间的不规则的、跳跃式的耗散液体弯月面运动，但是没有确切试验证实这两种现象。
　　瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员通过对部分渗透金属基复合材料的定量金相分析 表明第一种机制不存在，而第二种机制占主导地位。 相关论文以题为＂Surface energy contributions to the work of infiltration in metal matrix composite processing＂发表在Scripta Materialia。
　　论文链接：
　　https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114223
　　本研究制备了颗粒状和纤维状两种预制体，渗透是在（1）700 用铝；（2）1150 下用铜；（3）铝锡合金（含铝50%）作为基材，铝锡合金在氧化铝上的接触角明显低于纯铝或纯铜。
　　研究发现对于颗粒预制体而言，金属覆盖氧化铝表面的分数与被渗透的孔隙分数空间之间几乎是一一对应的。在所研究的四种复合材料中，在渗透过程各个阶段的平衡结构中，复合材料内部的液/气界面面积相对来说可以忽略不计。从目前对部分饱和的、局部平衡微结构的表征中出现的情况是，金属复合材料制造中的渗透进展是通过突然填充较大孔隙体积来进行的。由这种跳跃主导的金属渗透过程解释了为什么在这里测量的液体弯月面面积可以忽略不计，而在渗透过程中仍然存在显著的不可逆能量耗散，在渗滤初期，渗流效应占主导地位，在复合渗透过程中，渗流效应的重要性已得到了论证。
　　图
　　1 部分饱和的铜渗透氧化铝颗粒复合材料的相位阈值
　　(a)原始图像；(b) (c) (d)中红色图像分别为树脂相、颗粒相、金属相
　　图2 不同饱和度下复合材料的形貌
　　图3 四种复合材料中，金属/预制体界面和金属/孔隙的比值
　　本文通过实验证实了一种机制，即陶瓷预制体与液态金属的浸渗过程中，不会因为浸渗过程的中间阶段临时产生大量液态金属表面积而造成不可逆的能量损失。相反，在平衡的部分饱和预制件中，液态金属弯月面的表面积与其他界面区域相比仍然小得可以忽略不计。本研究指出在跳跃过程中消耗不可逆能量的渗透过程，这与已有研究中提出的简单的钉扎脱钉为主的压力渗透模型是一致的。本文对渗透法制备复合材料的研究提供了理论基础。（文：破风）
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