文章介绍：

鉴于金属基复合材料（MMCs）和陶瓷连接在航空航天、电子封装和汽车工业等众多高性能应用中的重要性，金属与陶瓷之间的润湿行为始终是一个关键的科学技术问题。有效的润湿是实现金属与陶瓷之间强健界面结合、确保所需物理化学性能和服役可靠性的前提。然而，许多金属/陶瓷体系，特别是金属铝（Al）与氧化铝（α-Al₂O₃）这一基准体系，通常表现出较差的润湿性，其特征是在惰性或非反应条件下接触角较大（> 90°）。克服这一挑战对于优化制造工艺和充分发挥金属-陶瓷复合材料的潜力至关重要。

传统的润湿性改善方法主要分为两类：改变陶瓷基板的表面特征或调节金属熔体的化学成分。例如，表面改性技术，如施加金属或陶瓷涂层以促进化学相互作用，或产生表面图案以利用毛细作用，已被广泛探索。同时，向金属熔体中添加活性元素（如 Mg、Si、Ti）通过在界面处形成反应层，已成为一种常见的冶金策略，可将润湿从非反应性转变为反应性。这些方法通常依赖于改变体系的固有反应性，这在增强润湿性的同时，也可能导致脆性金属间化合物的过度形成，从而损害接头的服役性能。

最近，强磁场（HMFs）已成为一种无接触工具，用于调控材料中的流体流动、传质和晶体取向。初步研究表明，强磁场本身会影响金属/陶瓷的润湿性。例如，我们之前发现，在强磁场下，液态铝和锡在α-Al₂O₃上的铺展行为发生了改变。然而，这些效应被归因于界面能的改变，而非磁场与金属熔体之间的直接相互作用，且其调控强度有限，通常无法实现> 50% 的接触角降低。因此，迫切需要探索协同效应，将活性元素添加与磁场效应结合起来，以期在更广泛的加工窗口内实现更显著的润湿性改善。

本研究提出并通过实验验证了一种新颖的协同调控策略，该策略结合了活性元素添加和强磁场效应，以改善熔融 Al/α-Al₂O₃ 体系的润湿性。之所以选择 Al 和 α-Al₂O₃ 这一基准体系，是因为其在理解金属/氧化物界面的基础科学方面具有重要意义，且应用广泛。之所以选择铜（Cu）作为活性元素，是因为其在 Al 中具有良好的固溶性，并且在微电子封装中很常见。本研究系统探究了不同铜含量和磁场强度对润湿行为的影响。通过实验分析接触角、铺展动力学和界面微观结构，并结合理论分析，揭示了协同润湿性增强背后的机理。研究结果有望为金属/陶瓷体系的先进润湿调控策略提供见解，并对金属基复合材料和连接技术的发展产生重大影响。

中文摘要：

强磁场和活性元素均可独立改善金属熔体在陶瓷基板上的润湿性，然而，这两种效应之间的潜在协同作用仍亟待探索。本研究考察了在不同强磁场（HMFs）下，向纯铝中添加微量铜（0、1、2 wt.%）对熔融 Al/α-Al₂O₃ 体系润湿行为的协同影响。结果表明，单独施加 6 T 强磁场可使接触角从 148.5° 减小到 127.6°，而单独添加 2 wt.% Cu 并施加 0 T 磁场时，接触角从 148.5° 减小到 140.0°。值得注意的是，在 6 T 强磁场和 2 wt.% Cu 添加的协同作用下，接触角显著减小到 74.1°，同时铺展直径从 2.2 mm 增加到 4.3 mm。界面微观结构分析表明，熔融铝液滴与 α-Al₂O₃ 基板之间没有形成化学反应层。理论分析进一步揭示了在强磁场作用下，固液界面处形成了与 α-Al₂O₃ 衬底呈外延排列的有序铝原子层，同时铜元素在界面处局部富集形成了共格金属间化合物（IMC）相。协同效应归因于磁场诱导的界面有序 Al 层和共格 IMC 相的协同贡献，两者共同作用于降低固液界面能，从而增强润湿性。本研究提供了一种协同调控策略，为改善金属/陶瓷润湿性开辟了一条新途径，有望促进金属/陶瓷复合材料及连接技术的发展。