[發明專利]一種測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的方法與裝置

在審

• 申請號: 202110315077.8
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN112986061A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 萬珍平;鄒金虎;何子聰;湯勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N13/02
• 分類號: G01N13/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡克永

1.一種測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于，包括：

用于熔化堿金屬的電加熱臺(6)；

用于盛裝堿金屬熔液的容器(5)；

用于測量堿金屬熔液表面張力系數的吸液芯(12)；

用于加熱吸液芯(12)的加熱器；

用于夾持、并調整吸液芯(12)高度的升降機構，以改變吸液芯(12)的下端部插入堿金屬熔液液面下的插入深度。

2.根據權利要求1所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：所述吸液芯(12)為一根一側表面開設有多條軸向分布的矩形溝槽(12-1)的條形金屬板；

所述加熱器包括一金屬塊(2)、一加持板(11)和一嵌入金屬塊(2)內部的電加熱棒(14)；

所述金屬塊(2)具有一個平面，該平面開設有一凹槽；在加持板(11)與金屬塊(2)的夾持作用下，將吸液芯(12)壓嵌在該凹槽內；吸液芯(12)的矩形溝槽(12-1)面與加持板(11)相貼合，以形成多條軸向毛細通道。

3.根據權利要求2所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：在金屬塊(2)上設置貼片熱電偶(10)，并與電加熱棒(14)一同連接至溫控器(3)。

4.根據權利要求3所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：所述裝置，還包括一固定在吸液芯(12)一側的標尺(9)，和放置在吸液芯(12)另一側的攝像機(4)構成的毛細高度記錄組件；

該毛細高度記錄組件，用于記錄堿金屬熔液在吸液芯中產生毛細現象時，上升的最大高度和上升速度。

5.根據權利要求4所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：所述升降機構包括橫向支撐桿(1)、縱向支撐桿(8)和支撐基座(7)；

所述縱向支撐桿(8)底端固定在支撐基座(7)上；

所述橫向支撐桿(1)的一端通過帶鎖緊螺母的滑套(8-1)，連接在縱向支撐桿(8)上；

所述吸液芯(12)上端及標尺(9)共同夾持固定在橫向支撐桿(1)的另一端；

以改變吸液芯(12)的下端部，插入堿金屬熔液液面下的插入深度；

調節滑套(8-1)在縱向支撐桿(8)上的位置，以改變吸液芯(12)的下端部，插入堿金屬熔液液面下的插入深度。

6.根據權利要求5所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：所述吸液芯(12)的材質為鈮、鉬或者不銹鋼。

7.根據權利要求6所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：所述金屬塊(2)的材質為紫銅。

8.根據權利要求7所述測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的裝置，其特征在于：實驗過程中，電加熱臺(6)、容器(5)、吸液芯(12)及其加熱器，均置于手套箱(13)內部，攝像機(4)置于手套箱(13)外部；

手套箱(13)內氬氣保護，并且水含量和氧含量均低于0.1ppm。

9.一種測量不同溫度下堿金屬表面張力系數的方法，其特征在于采用權利要求1-7中任一項所述裝置實現，包括如下步驟：

步驟一：計算所用吸液芯的孔隙率ε；

所述吸液芯(12)中的矩形溝槽(12-1)尺寸采用寬度ω為0.2mm～0.3mm，深度δ為0.3mm～0.4mm，相鄰矩形溝槽(12-1)間的距離ωf為0.2mm～0.3mm，依此孔隙率ε可以通過以下公式計算：

其中ε為孔隙率，ω為矩形溝槽(12-1)的寬度，ωf為相鄰矩形溝槽(12-1)間距；

步驟二：計算所用吸液芯的滲透率K；

所述吸液芯(12)的滲透率K可用以下公式計算：

其中ε為吸液芯(12)的孔隙率，K為滲透率，m²；r_hl為吸液芯液流的水力半徑，m；f_lRe_l是工質層流流動的阻力系數，以上兩個參數可分別通過下式計算：

f_lRe_l＝24(1-1.3553α+1.9467α²-1.7012α³+0.9564α⁴-0.2537α⁵)其中α是矩形溝槽(12-1)的長寬比，即長寬比用計算，ω為矩形溝槽(12-1)寬度，δ為矩形溝槽(12-1)深度；

步驟三，進行毛細上升實驗：打開電加熱臺(6)和電加熱棒(14)，并將二者溫度設置到堿金屬熔點以上，并且二者溫度相同；

吸液芯(12)和堿金屬加熱過程中，堿金屬在容器(5)中熔化；待達到預定溫度且穩定后，調節縱向支撐桿(8)將吸液芯(12)插入到堿金屬液面以下2mm處，堿金屬潤濕吸液芯(12)并產生毛細升高現象，通過攝像機記錄毛細升高的高度和對應的時間；

步驟四，繪制毛細高度的平方h²隨時間變化的函數關系曲線，計算得出曲線斜率k₁，即可根據公式計算得出所設定溫度下堿金屬的表面張力系數σ；

矩形溝槽(12-1)，其有效毛細半徑rc等于溝槽寬度ω，則吸液芯最大毛細壓差通過以下公式計算：

其中rc為有效毛細半徑，σ為表面張力系數；

根據動量守恒定律，流動過程中的最大毛細壓差ΔP_cap與黏性摩擦阻力引起的壓降ΔP以及由于重力引起的靜水壓力相平衡:

ΔP_cap＝ΔP+ρgh

粘性壓降ΔP可由達西定律計算：

其中h是上升的毛細高度，K是吸液芯滲透率，μ是不同溫度下堿金屬工質的粘度系數；

在毛細上升最初階段，重力可忽略，即：

利用初始條件h(t→0)＝0上式積分可得：

由此可得公式代入滲透率K、設定溫度下堿金屬的粘度系數μ、孔隙率ε和矩形溝槽寬度ω，從而計算得出特定溫度下堿金屬的表面張力系數σ。