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。為了對液態(tài)鋰錫合金的設計、制備、純化與輸運技術提供理論支持，從表面張力基于波動性理論的方程出發(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算。結果表明，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Sn對合金的表面張力影響有限；可采用最大氣泡壓力方法測量液態(tài)鋰錫的表面張力。

核能是公認現(xiàn)實可行的、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，在國際上被普遍認為是未來電站最具發(fā)展?jié)摿Φ陌鼘釉O計方案之一。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、質量輸運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識和理解冶煉過程最基本的物理量之一，而且是氣體吸收、氣泡形核、雜質生長等界面現(xiàn)象的控制因素。目前對液態(tài)金屬表面張力的研究多集中于金屬單質，合金的表面或界面行為在理論或實驗上都相當不足，主要是由于精確確定表面張力十分困難[2]。針對液態(tài)鋰錫合金這種新型的核材料，從基礎研究方面看，目前還沒有一種實驗方法能確定液體界面的結構，即兩個相之間過渡區(qū)域的結構，因此需要有一些假設或模型來滿足表面張力理論的研究。

本研究從表面張力的基于波動性理論的方程出發(fā)，利用半經驗和經驗方程推廣至液態(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算，提出了實驗測量液態(tài)鋰錫合金表面張力的初步設計，期望為今后高純鋰錫合金的設計、制備、純化與輸運工藝提供理論參考。

1理論推導

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

2結果與討論

2.1合金熔融溫度對表面張力的影響

目前能源堆包層設計中所采用的鋰錫合金為1 Sn，假設合金高純無雜質，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;的表面張力與熔點溫度呈線性關系，這是因為隨著溫度的升高，原子熱運動加劇，振幅變大，表面質點的受力不對稱性減弱，因而表面張力下降。當熔融溫度升高到臨界溫度時，氣一液兩相界面消失，表面張力為零。

2.2溶質元素對表面張力的影響

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。這是因為溶質元素對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，具有負吸附作用。無論是Ii中加Sn，還是Sn中加Ii，表面張力的改變都是因為熔體表面層質點的力場分布不對稱性程度的改變，如圖2所示。

從圖2可以看出，當Sn在合金中的含量較小時，合金的表面張力變化明顯，而當Sn含量較高時，sn含量的增加對合金的表面張力影響不大。這與文獻Es]中合金化對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對合金的表面張力影響有限。

圖2 808K時鋰錫合金表面張力與溶質元素含量的關系

2.3表面張力實驗測量的初步設計

測定液態(tài)金屬表面張力有多種方法，包括毛細管上升法、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)點在于可以在新形成的表面上連續(xù)測量，使表面污染效應減至最小。這種方法是將一根毛細管插入液態(tài)鋰錫不同深度，吹入氦氣，測量毛細管尖端產生的最大氣泡壓力，通過計算獲得表面張力。如果吹出的氣泡是一個理想的球形，即：

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