一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置

摘要

本发明公开了一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置，装置包括用于熔化碱金属的电加热台；用于盛装碱金属熔液的容器；用于测量碱金属熔液表面张力系数的吸液芯；用于加热吸液芯的加热器；用于夹持、并调整吸液芯高度的升降机构，本测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置，具有技术手段简便易行，造价低廉，能够快捷准确地测量出碱金属在不同的温度的表面张力系数，具有重要的科学价值和工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及碱金属物性参数测量及高温热管传热技术领域，尤其涉及一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置。

背景技术

关于碱金属的物性参数，本领域技术人员熟知，不同温度下的粘度系数可以根据现有的经验公式计算，而不同温度下的表面张力系数却难以获得。

液体表面张力是作用于液体表面让其表面积缩小的力，表面张力系数是描述液体表面张力的大小的物理量。

钠、钾、锂等碱金属具有活泼的性质，极易被氧化，它们的熔点在200℃以内。

测量高温熔融状态下的碱金属表面张力系数，除了要在气氛保护环境下避免碱金属被氧化、将实验设备放入手套箱中，还要把常温下呈固态的碱金属加热至熔融状态，而周围环境的温度也将非常高，常用的表面张力系数测量方法如拉脱法、最大气泡法、毛细升高法等需要力敏传感器、显微镜等精密仪器，难以在高温环境下工作，也很难在手套箱的狭窄空间里操作。

所以，适用于普通液体的表面张力系数测量手段，难以用来测量碱金属表面张力系数。

发明内容

本发明的目的是针对碱金属极易被氧化，且必须在高温下将碱金属熔化后测量表面张力的技术难题，提供一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，包括：

用于熔化碱金属的电加热台6；

用于盛装碱金属熔液的容器5；

用于测量碱金属熔液表面张力系数的吸液芯12；

用于加热吸液芯12的加热器；

用于夹持、并调整吸液芯12高度的升降机构，以改变吸液芯12的下端部插入碱金属熔液液面下的插入深度。

所述吸液芯12为一根一侧表面开设有多条轴向分布的矩形沟槽12-1的条形金属板；

所述加热器包括一金属块2、一加持板11和一嵌入金属块2内部的电加热棒14；

所述金属块2具有一个平面，该平面开设有一凹槽；在加持板11与金属块2的夹持作用下，将吸液芯12压嵌在该凹槽内；吸液芯12的矩形沟槽12-1面与加持板11相贴合，已形成多条轴向毛细通道。

在金属块2上设置贴片热电偶10，并与加热棒14一同连接至温控器3。

本装置，还包括一固定在吸液芯12一侧的标尺9，和放置在吸液芯12另一侧的摄像机4构成的毛细高度记录组件；

该毛细高度记录组件，用于记录碱金属熔液在吸液芯中产生毛细现象时，上升的最大高度和上升速度。

所述升降机构包括横向支撑杆1、纵向支撑杆8和支撑基座7；

所述纵向支撑杆8底端固定在支撑基座7上；

所述横向支撑杆1的一端通过带锁紧螺母的滑套8-1，连接在纵向支撑杆8上；

所述吸液芯12上端及标尺9共同夹持固定在横向支撑杆1的另一端；

以改变吸液芯12的下端部，插入碱金属熔液液面下的插入深度。

调节滑套8-1在纵向支撑杆8上的位置，以改变吸液芯12的下端部，插入碱金属熔液液面下的插入深度。

所述吸液芯12的材质为铌、钼或者不锈钢。

所述金属块2及容器5的材质可以采用紫铜。

实验过程中，电加热台6、容器5、吸液芯12及其加热器，均置于手套箱13内部，摄像机4置于手套箱13外部；

手套箱13内氩气保护，并且水含量和氧含量均低于0.1ppm。

一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法，包括如下步骤：

步骤一：计算所用吸液芯的孔隙率ε；

所述吸液芯12中的矩形沟槽12-1尺寸采用宽度ω为0.2mm～0.3mm，深度δ为0.3mm～0.4mm，相邻矩形沟槽12-1间的距离ωf为0.2mm～0.3mm，依此孔隙率ε可以通过以下公式计算：

其中ε为孔隙率，ω为矩形沟槽12-1的宽度，ωf为相邻矩形沟槽12-1间距；

步骤二：计算所用吸液芯的渗透率K；

所述吸液芯12的渗透率K可用以下公式计算：

其中ε为吸液芯12的孔隙率，K为渗透率，m

f

步骤三，进行毛细上升实验：打开电加热台6和电加热棒14，并将二者温度设置到碱金属熔点以上，并且二者温度相同；

吸液芯12和碱金属加热过程中，碱金属在容器5中熔化；待达到预定温度且稳定后，调节纵向支撑杆8将吸液芯12插入到碱金属液面以下2mm处，碱金属润湿吸液芯12并产生毛细升高现象，通过摄像机记录毛细升高的高度和对应的时间；

步骤四，绘制毛细高度的平方h

矩形沟槽12-1，其有效毛细半径rc等于沟槽宽度ω，则吸液芯最大毛细压差通过以下公式计算：

其中rc为有效毛细半径，σ为表面张力系数；

根据动量守恒定律，流动过程中的最大毛细压差ΔP

ΔP

粘性压降ΔP可由达西定律计算：

其中h是上升的毛细高度，K是吸液芯渗透率，μ是不同温度下碱金属工质的粘度系数；粘度系数，本领域技术可根据熟知的已有公式计算得出；

在毛细上升最初阶段，重力可忽略，即：

利用初始条件h(t→0)＝0上式积分可得：

由此可得公式

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明，通过获取碱金属熔融状态下，在吸液芯中不同时间对应的润湿高度，绘制毛细高度的平方h

本发明技术手段简便易行，该吸液芯为一根一侧表面开设有多条轴向分布的矩形沟槽的条形金属板；所述金属块具有一个平面，该平面开设有一凹槽；在加持板与金属块的夹持作用下，将吸液芯压嵌在该凹槽内；吸液芯的矩形沟槽面与加持板相贴合，以形成多条轴向毛细通道。测量过程中，连通整个装置置于手套箱内。解决了碱金属易氧化和高温下难以实验测试的难题，实现了大温度范围内碱金属表面张力系数的测量，具有重要的科学价值和工程应用价值。

附图说明

图1为本测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置结构示意图；

图2为是吸液芯及加热器的俯视图结构示意图；

图3为吸液芯截面的矩形沟槽结构示意图；

图4为锂在吸液芯中毛细润湿高度h随时间t变化的曲线示意图；

图5为锂在吸液芯中毛细润湿高度的平方h

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

本发明测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，包括下列部件：

用于熔化碱金属的电加热台6；

用于盛装碱金属熔液的容器5；

用于测量碱金属熔液表面张力系数的吸液芯12；

用于加热吸液芯12的加热器；

用于夹持、并调整吸液芯12高度的升降机构，以改变吸液芯12的下端部插入碱金属熔液液面下的插入深度。

所述吸液芯12为一根一侧表面开设有多条轴向分布的矩形沟槽12-1的条形金属板；

所述加热器包括一金属块2、一加持板11和一嵌入金属块2内部的电加热棒14；

所述金属块2具有一个平面，该平面开设有一凹槽；在加持板11与金属块2的夹持作用下，将吸液芯12压嵌在该凹槽内；吸液芯12的矩形沟槽12-1面与加持板11相贴合，以形成多条轴向毛细通道。

在金属块2上设置贴片热电偶10，并与加热棒14一同连接至温控器3。

本装置，还包括一固定在吸液芯12一侧的标尺9，和放置在吸液芯12另一侧的摄像机4构成的毛细高度记录组件；

该毛细高度记录组件，用于记录碱金属熔液在吸液芯中产生毛细现象时，上升的最大高度和上升速度。

所述升降机构包括横向支撑杆1、纵向支撑杆8和支撑基座7；

所述纵向支撑杆8底端固定在支撑基座7上；

所述横向支撑杆1的一端通过带锁紧螺母的滑套8-1，连接在纵向支撑杆8上；

所述吸液芯12上端及标尺9共同夹持固定在横向支撑杆1的另一端；

以改变吸液芯12的下端部，插入碱金属熔液液面下的插入深度。

调节滑套8-1在纵向支撑杆8上的位置，以改变吸液芯12的下端部，插入碱金属熔液液面下的插入深度。

所述吸液芯12的材质为铌、钼或者不锈钢；可以测量的碱金属工质有钠、钾、锂以及钠钾合金等，可以测试的温度范围在碱金属熔点以上至1083℃。

所述金属块2及容器5的材质可以采用紫铜，当然也可以为熔点更高的材料如低碳钢、灰铸铁等，以测量锂在更高范围内的表面张力系数。

实验过程中，电加热台6、容器5、吸液芯12及其加热器，均置于手套箱13内部，摄像机4置于手套箱13外部；

手套箱13内氩气保护，并且水含量和氧含量均低于0.1ppm。

本发明测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法，可通过如下步骤实现：

步骤一：计算所用吸液芯的孔隙率ε；

所述吸液芯12中的矩形沟槽12-1尺寸采用宽度ω为0.2mm～0.3mm，深度δ为0.3mm～0.4mm，相邻矩形沟槽12-1间的距离ωf为0.2mm～0.3mm，依此孔隙率ε可以通过以下公式计算：

其中ε为孔隙率，ω为矩形沟槽12-1的宽度，ωf为相邻矩形沟槽12-1间距；

步骤二：计算所用吸液芯的渗透率K；

所述吸液芯12的渗透率K可用以下公式计算：

其中ε为吸液芯12的孔隙率，K为渗透率，m

f

步骤三，进行毛细上升实验：打开加热台6和加热棒13，并将二者温度设置到碱金属熔点以上，并且二者温度相同；

吸液芯12和碱金属加热过程中，碱金属在容器5中熔化；待达到预定温度且稳定后，调节纵向支撑杆8将吸液芯12插入到碱金属液面以下2mm处，碱金属润湿吸液芯12并产生毛细升高现象，通过摄像机记录毛细升高的高度和对应的时间；

应在吸液芯12放入手套箱13前，对其用无水乙醇清洗后进行超声波震荡清洗，随后放入真空干燥箱在150℃下干燥三小时方可放入手套箱。同时也应对实验装置中的其他用于导热的金属零件进行高温真空干燥，干燥温度为150℃，避免零件加热后析出气体影响手套箱内气氛。

步骤四，绘制毛细高度的平方h

矩形沟槽12-1，其有效毛细半径rc等于沟槽宽度ω，则吸液芯最大毛细压差通过以下公式计算：

其中rc为有效毛细半径，σ为表面张力系数；

根据动量守恒定律，流动过程中的最大毛细压差ΔP

ΔP

粘性压降ΔP可由达西定律计算：

其中h是上升的毛细高度，K是吸液芯渗透率，μ是不同温度下碱金属工质的粘度系数；本领域技术人员熟知([1]Nargess Mehdipour.Correlation for the viscosity ofliquid alkali metals[J].Fluid Phase Equilibria,2013,355.)，粘度系数可以通过下式计算得出：

μ＝c[1+0.8bρG+d(bρG)

其中，b范德华体积，G是径向分布函数，可分别通过下式计算：

在上述公式中，T是碱金属的温度；ρ是密度，可以通过金属手册查得；c、d、γ、

依据上述公式即可计算出不同温度下碱金属的粘度系数。

在毛细上升最初阶段，重力可忽略，即：

利用初始条件h(t→0)＝0上式积分可得：

由此可得公式

本发明的吸液芯12的材料可以采用铌、不锈钢、钼等金属材料，可以测量的碱金属工质有钠、钾、锂以及钠钾合金等，可以测试的温度范围在碱金属熔点以上至1083℃。

金属块2(紫铜)和容器5(紫铜)也可以更换为熔点更高的材料，如低碳钢、灰铸铁等，以测量锂在更高范围内的表面张力系数。

本发明实施例中，将加热台和温控器设置为其他温度，即可实现碱金属在不同温度的表面张力系数的测量。

以下通过举例，说明本发明的有效性：

吸液芯12为矩形槽道式结构，材料选用纯铌易于加工，工质选用锂。

矩形沟槽12-1宽度ω为0.2mm，深度δ为0.3mm，两道矩形沟槽间的距离ω

吸液芯工质的水力半径可计算得r

锂润湿铌沟槽吸液芯实验温度定为530℃，此温度下对应的锂粘度系数可通过相关文献([1]Nargess Mehdipour.Correlation for the viscosity of liquid alkalimetals[J].Fluid Phase Equilibria,2013,355.)的经验公式计算得μ＝3.167x10

图4为锂在吸液芯中毛细润湿高度h随时间t变化的曲线；

取其中的毛细上升初始阶段的数据绘制并拟合图5的毛细润湿高度的平方h

通过经验公式计算T＝800K时，锂的表面张力系数σ＝0.3588N/m，则本实施例的实验数据和经验公式计算数据的相对误差γ＝3.96％。

上述举例所测表面张力系数数据具有较强可靠性，为研究金属熔液表面张力系数，提供了重要依据。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。