摘要：液態(tài)鋰錫合金是很有前景的能源堆液態(tài)包層氚增殖劑材料。為了對(duì)液態(tài)鋰錫合金的設(shè)計(jì)、制備、純化與輸運(yùn)技術(shù)提供理論支持，從表面張力基于波動(dòng)性理論的方程出發(fā)，采用Gibbs方法初步建立了液態(tài)鋰錫合金的表面張力方程，并開展了影響表面張力因素的計(jì)算。結(jié)果表明，液態(tài)鋰錫的表面張力隨合金溫度的升高而降低；在稀溶液中添加表面張力較高的溶質(zhì)Sn對(duì)合金的表面張力影響有限；可采用最大氣泡壓力方法測(cè)量液態(tài)鋰錫的表面張力。

核能是公認(rèn)現(xiàn)實(shí)可行的、可大規(guī)模替代常規(guī)能源的清潔能源。聚變堆或聚變_裂變混合堆液態(tài)金屬包層因其固有特性和優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上被普遍認(rèn)為是未來(lái)電站最具發(fā)展?jié)摿Φ陌鼘釉O(shè)計(jì)方案之一。作為包層氚增殖劑和冷卻劑的鋰錫合金與鋰鉛合金一樣，具有廣闊的發(fā)展前景，其制備、純化、質(zhì)量輸運(yùn)等工藝難題正逐步得到重視。液態(tài)金屬的表面張力不僅是認(rèn)識(shí)和理解冶煉過(guò)程最基本的物理量之一，而且是氣體吸收、氣泡形核、雜質(zhì)生長(zhǎng)等界面現(xiàn)象的控制因素。目前對(duì)液態(tài)金屬表面張力的研究多集中于金屬單質(zhì)，合金的表面或界面行為在理論或?qū)嶒?yàn)上都相當(dāng)不足，主要是由于精確確定表面張力十分困難[2]。針對(duì)液態(tài)鋰錫合金這種新型的核材料，從基礎(chǔ)研究方面看，目前還沒(méi)有一種實(shí)驗(yàn)方法能確定液體界面的結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)相之間過(guò)渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)，因此需要有一些假設(shè)或模型來(lái)滿足表面張力理論的研究。

本研究從表面張力的基于波動(dòng)性理論的方程出發(fā)，利用半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)方程推廣至液態(tài)二元合金體系，采用Gibbs方法初步建立了液態(tài)鋰錫合金的表面張力方程，并開展了影響表面張力因素的計(jì)算，提出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量液態(tài)鋰錫合金表面張力的初步設(shè)計(jì)，期望為今后高純鋰錫合金的設(shè)計(jì)、制備、純化與輸運(yùn)工藝提供理論參考。

1理論推導(dǎo)

在一元系統(tǒng)中，兩個(gè)不同的體積相——液相和氣相共存提供了一個(gè)平直的氣一液界面，在此界面上存在一個(gè)非均勻平衡相，又稱為過(guò)渡區(qū)或界面區(qū)，描述這種過(guò)渡區(qū)最基本的物理量是數(shù)密度或分布函數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)密度波動(dòng)理論，表面張力y可以表示為兩項(xiàng)之和：

2結(jié)果與討論

2.1合金熔融溫度對(duì)表面張力的影響

目前能源堆包層設(shè)計(jì)中所采用的鋰錫合金為1 Sn，假設(shè)合金高純無(wú)雜質(zhì)，將其成分代入式(12)，可以得到高純液態(tài)LiSn合金表面張力與其熔融溫度的關(guān)系曲線，如圖l所示。

圖1高純液態(tài)Li:Sn7合金表面張力與溫度的關(guān)系

由圖l可以看出，隨著合金熔融溫度的升高，其表面張力下降，且理想的Li Sn;的表面張力與熔點(diǎn)溫度呈線性關(guān)系，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，振幅變大，表面質(zhì)點(diǎn)的受力不對(duì)稱性減弱，因而表面張力下降。當(dāng)熔融溫度升高到臨界溫度時(shí)，氣一液兩相界面消失，表面張力為零。

2.2溶質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響

從圖1可以看出，液態(tài)鋰錫合金表面張力剛好介于純li和純Sn之間。這是因?yàn)槿苜|(zhì)元素對(duì)表面張力的影響分為兩類，一是使表面張力降低的表面活性元素Ii，具有正吸附作用；二是使表面張力提高的非表面活性元素Sn，具有負(fù)吸附作用。無(wú)論是Ii中加Sn，還是Sn中加Ii，表面張力的改變都是因?yàn)槿垠w表面層質(zhì)點(diǎn)的力場(chǎng)分布不對(duì)稱性程度的改變，如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)Sn在合金中的含量較小時(shí)，合金的表面張力變化明顯，而當(dāng)Sn含量較高時(shí)，sn含量的增加對(duì)合金的表面張力影響不大。這與文獻(xiàn)Es]中合金化對(duì)表面張力影響的判斷規(guī)則一致，即液態(tài)金屬中大部分具有高表面活性的元素在液態(tài)金屬中具有很小的溶解度，在稀溶液中添加表面張力大的溶質(zhì)對(duì)合金的表面張力影響有限。

圖2 808K時(shí)鋰錫合金表面張力與溶質(zhì)元素含量的關(guān)系

2.3表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)量的初步設(shè)計(jì)

測(cè)定液態(tài)金屬表面張力有多種方法，包括毛細(xì)管上升法、最大液滴法、最大氣泡壓力法、座滴法、懸滴法、滴重法等，針對(duì)液態(tài)鋰錫合金體系，最大氣泡壓力法比較適用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以在新形成的表面上連續(xù)測(cè)量，使表面污染效應(yīng)減至最小。這種方法是將一根毛細(xì)管插入液態(tài)鋰錫不同深度，吹入氦氣，測(cè)量毛細(xì)管尖端產(chǎn)生的最大氣泡壓力，通過(guò)計(jì)算獲得表面張力。如果吹出的氣泡是一個(gè)理想的球形，即：

式中：P為最大氣泡壓力，pI為鋰鉛密度，為液滴深度，r為毛細(xì)管半徑。由于在液相中不同深度存在壓力差，氣泡實(shí)際上并非球形，可以對(duì)重力的影響進(jìn)行修正，獲得表面張力的絕對(duì)值：