華北電力大學先進堆關鍵技術研究室(NCEPU ART Lab)成員賀彥，在核科學與工程發表題為"基于最大氣泡壓力法的液態堿金屬密度和表面張力測量"的文章。該文章給出了液態鋰密度和表面張力與溫度的經驗關系式，并給出相應實驗建議，對高溫液態堿金屬的密度及表面張力開展高精度測量提供參考。

本文以金屬鋰為被測介質，基于最大氣泡壓力法對液態堿金屬的密度和表面張力進行了實驗研究。研制了一種可同時測量高溫下液態堿金屬密度及表面張力的測量裝置。利用該裝置測量了200～650℃溫度范圍內液態鋰的密度和表面張力，通過實驗結果與文獻參考值進行對比來驗證方法的有效性。同時分析了鼓泡速度、毛細管內徑對測量結果的影響。

實驗裝置

下圖為本文設計的測量裝置原理示意圖與實物圖，該裝置主要由4個系統組成：氣路系統、毛細管升降系統、加熱恒溫系統以及數據采集系統。

圖1原理示意圖

圖2裝置實物圖

實驗流程

被測材料為鋰粒，純度為99.974%，總金屬雜質為260×10-6。鼓泡所用氣體為高純氬氣，純度≥99.999%，符合GB/T 4842—2017標準。為避免高溫環境下雜質對實驗結果的影響，將實驗臺架放置在充氬氣環境的手套箱內，箱內壓力為+200～400Pa，氧含量小于0.5×10-6，水含量小于0.2×10-6。實驗基本流程如圖3所示。

圖3實驗基本流程圖

需要注意的是，由于液態鋰高溫下化學性質活潑，即便在手套箱氬氣環境下，它也可能與盛裝容器材料發生反應生成雜質，因此在實驗中應及時去除漂浮在坩堝表面的雜質。圖4為實驗中在毛細管內通入氬氣后液態鋰的鼓泡圖。

圖4液態鋰的鼓泡圖

結果分析

實驗結果的準確性由最終計算使用的物理參數所涉及的誤差控制，各參數的測量精度如表1所示。

表1各參數測量精度

在測量過程中，假設毛細管升降高度誤差為0.1mm，最大壓力測量誤差為1Pa，在最終計算結果中，密度和表面張力誤差均為1%。分別使用5種不同內徑的毛細管（2.08mm，2.30 mm，2.46 mm，2.56 mm，2.72 mm）進行了多組實驗，得到不同管徑下溫度為200～650℃范圍內的壓差數據，溫度間隔為25℃。

圖5不同管徑密度實驗值

上圖5給出了溫度T在200～650℃范圍內，使用不同管徑毛細管測量的液態鋰密度實驗值及其擬合曲線?？芍?，擬合結果具有良好線性度。各個溫度點的密度實驗結果偏差小于±5 kg/m3，相對誤差為±1%，且實驗結果均在線性擬合95%預測帶中，其中預測帶表示對多次實驗結果分析，充分考慮實驗偶然誤差，單次實驗結果在預測帶之間，說明實驗結果具有較好可信度。

圖6不同管徑表面張力實驗值

上圖6給出了溫度T在200～650℃范圍內，使用不同管徑毛細管測量的液態鋰表面實驗值及其擬合曲線?？芍?，擬合結果具有良好線性度。各個溫度點的密度實驗結果偏差小于±5 mN/m，相對誤差為±1.4%，且實驗結果均在線性擬合95%預測帶中，說明實驗結果具有較好可信度。

表2不同管徑下的液態鋰表面張力實驗偏差

不同管徑毛細管在不同溫度下實驗結果偏差如上表2所示。可知，2.72 mm內徑毛細管與基準值偏差最大，且在不同溫度的實驗偏差波動也是最大，從表中結果可以得出，隨著毛細管內徑增大，實驗結果偏差和偏差波動隨之增大。而2.08mm、2.30mm、2.48mm三個管徑的偏差相差不大，且從低溫到高溫偏差范圍波動較小。因此，在均勻鼓泡下，實驗使用的毛細管管徑應控制在2.0～2.5mm。

總結

本文以金屬鋰為被測介質，研究了一種基于最大氣泡壓力法的堿金屬密度和表面張力測量技術。利用研制的實驗裝置，在200～650℃溫度范圍內，分別使用5種不同管徑的毛細管進行了多次測量，并與公認的文獻參考值做了對比分析，結果表明：

（1）密度實驗結果平均偏差為0.47%，表面張力結果平均偏差為0.93%，且兩者的擬合結果均具有良好線性度。

（2）鼓泡速度和毛細管內徑對表面張力測量有較明顯的影響。鼓泡速度過快會使表面張力測量值變小；而當毛細管內徑小于2.5 mm時測量結果趨于穩定且波動較小。

（3）鼓泡速度和毛細管內徑對鋰密度測量影響不明顯。