CuO―Al2O3体系的界面润湿行为与机理

【摘 要】研究了CuO-Al2O3体系的界面润湿行为及其机理。采用润湿角测试仪、扫描电镜、X射线衍射等手段对实验过程和结果进行综合分析，结果表明：CuO-Al2O3体系在1300～1320℃发生反应性润湿，界面生成物为CuAlO2；1320℃下最小润湿角为27°，表明该体系具有良好的润湿性。

【关键词】高温润湿角；界面反应；金属陶瓷

Al2O3是一种典型的陶瓷材料，具有耐高温、耐磨损、高硬度等优点，在冶金、机械、电子等领域得到了广泛应用。但Al2O3脆性强、韧性差的本征特性，使其难以加工，且抗冲击破坏能力差。Cu具有良好的韧性和易加工能力，将Cu与Al2O3结合有望改善Al2O3的韧性和可加工性。但是Cu-Al2O3体系界面润湿性差，界面结合不牢固，因此如何改善Cu-Al2O3界面性能是制约Cu-Al2O3体系复合材料发展的关键问题[1]。大量研究表明，CuO与Cu具有良好的润湿性，此外CuO与Al2O3具有较强的结合能力，因此以CuO为界面活性剂，有望制备出性能优良的Cu-Al2O3复合材料[2]。本文从基础研究角度出发，对CuO和Al2O3的界面润湿行为进行研究，并对其机理进行了分析。

1 实验过程

将分析纯的氧化铜粉末在6MPa压力下压制成直径2mm，高约3mm的试样，放置在高纯氧化铝陶瓷片上。采用Dataphysics公司生产的OCA15LHT型接触角测定仪对高温下CuO-A12O3的界面润湿行为进行观测，实验在流动的高纯Ar气中进行。

利用Hitachi公司生产的S-4300型扫描电镜及其附带的能谱仪分析试样的界面结构和界面成分。利用Bruker公司生产的D8 Focus 型X射线衍射仪分析试样的界面物相组成。

2 实验结果与分析

图1是CuO在A12O3表面的润湿过程照片。可以看出，在1300℃条件下，CuO开始在Al2O3陶瓷表面发生润湿。在温度从1300℃升高到1320℃过程中，随着温度升高，CuO与A12O3之间的润湿角逐渐变小，CuO逐渐铺展在A12O3陶瓷表面。在1320℃保温60s以后，CuO与A12O3之间的润湿减小到27°，其后一直保持恒定。由此可以看出，CuO在A12O3陶瓷表面具有良好的高温润湿性。

图1 CuO在A12O3表面的润湿过程

图2给出了CuO-A12O3润湿界面的显微形貌和元素分布状态。通过显微形貌分析可以看出，CuO-A12O3界面程锯齿状，界面处的结合十分紧密，没有观察到明显的裂纹、气孔等组织缺陷。此外，通过能谱检测可以看出，在界面的A12O3一侧检测到部分Cu元素，这表明CuO在高温条件下通过液相扩散机制部分的渗入了A12O3陶瓷内部，发生了界面嵌合[3]。由此可以看出，CuO-A12O3界面组织分布状态理想，界面结合十分紧密。

图2 CuO-A12O3润湿界面的显微形貌和元素分布

图3给出了CuO-Al2O3润湿界面的X射线衍射图谱。通过与JCPDS标准衍射卡片以及文献报道的结果进行比对可以看出，CuO-Al2O3界面处的物相为CuAlO2[2]。这种新物相的出现，表明CuO与Al2O3在界面处发生了高温化学反应，通过这一反应性润湿机制，使CuO与Al2O3陶瓷之间形成了紧密的冶金结合[3]。CuAlO2的膨胀系数与Al2O3接近，二者具有良好的界面相容性，此外CuAlO2与Cu之间具有良好的界面润湿性。因此，CuAlO2非常适于作为Cu与Al2O3之间的连接过渡材料。由此可知，以CuO作为Cu与Al2O3之间的界面活性成分，有望制备出综合性能优良的Al2O3基金属陶瓷复合材料。

图3 CuO-A12O3润湿界面的X射线衍射图谱

3 结论

（1）CuO-Al2O3体系在1300～1320℃下可发生反应性润湿。随着温度上升，润湿角呈下降趋势。在1320℃保温60s后，润湿角下降到27°，表明该体系润湿性能良好。

（2）本研究为Al2O3基复合材料的研制提供了新思路。深入开展本研究，有望制备出综合性能优良的Al2O3基金属陶瓷复合材料。

【参考文献】

[1]李志勇，穆道彬，马营生.提高Al2O3陶瓷表面化学镀Cu层结合力的研究[J].材料保护，1999，32（7）：8-10.

[2]Seager C W， et al. The influence of CuAlO2 on the strength of eutectically bonded Cu/Al2O3 interfaces[J]. Scripta Materialia， 2002，46：395-400.

[3]王新阳，李炎，魏世忠，马向东.陶瓷与金属连接技术的研究进展[J].金属铸锻焊技术，2009，38（13）：145-149.

[4]陈维平，韩孟岩，杨少锋.Al2O3陶瓷复合材料的研究进展[J].材料工程，2011，3：91-96.