[发明专利]一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置

权利要求书

1.一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：在金属块(2)上设置贴片热电偶(10)，并与电加热棒(14)一同连接至温控器(3)。

4.根据权利要求3所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：所述装置，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。

5.根据权利要求4所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：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。

6.根据权利要求5所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：所述吸液芯(12)的材质为铌、钼或者不锈钢。

7.根据权利要求6所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：所述金属块(2)的材质为紫铜。

8.根据权利要求7所述测量不同温度下碱金属表面张力系数的装置，其特征在于：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。

9.一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法，其特征在于采用权利要求1-7中任一项所述装置实现，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，m²；r_hl为吸液芯液流的水力半径，m；f_lRe_l是工质层流流动的阻力系数，以上两个参数可分别通过下式计算：

f_lRe_l＝24(1-1.3553α+1.9467α²-1.7012α³+0.9564α⁴-0.2537α⁵)其中α是矩形沟槽(12-1)的长宽比，即长宽比用计算，ω为矩形沟槽(12-1)宽度，δ为矩形沟槽(12-1)深度；

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h²随时间变化的函数关系曲线，计算得出曲线斜率k₁，即可根据公式计算得出所设定温度下碱金属的表面张力系数σ；

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_cap与黏性摩擦阻力引起的压降ΔP以及由于重力引起的静水压力相平衡:

ΔP_cap＝ΔP+ρgh

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；

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：

由此可得公式代入渗透率K、设定温度下碱金属的粘度系数μ、孔隙率ε和矩形沟槽宽度ω，从而计算得出特定温度下碱金属的表面张力系数σ。