摘要：液態鋰錫合金是很有前景的能源堆液態包層氚增殖劑材料。為了對液態鋰錫合金的設計、製備、純化與輸運技術提供理論支持，從表麵張力基於波動性理論的方程出發，采用Gibbs方法初步建立了液態鋰錫合金的表麵張力方程，並開展了影響表麵張力因素的計算。結果表明，液態鋰錫的表麵張力隨合金溫度的升高而降低；在稀溶液中添加表麵張力較高的溶質Sn對合金的表麵張力影響有限；可采用最大氣泡壓力方法測量液態鋰錫的表麵張力。

核能是公認現實可行的、可大規模替代常規能源的清潔能源。聚變堆或聚變_裂變混合堆液態金屬包層因其固有特性和優勢，在國際上被普遍認為是未來電站最具發展潛力的包層設計方案之一。作為包層氚增殖劑和冷卻劑的鋰錫合金與鋰鉛合金一樣，具有廣闊的發展前景，其製備、純化、質量輸運等工藝難題正逐步得到重視。液態金屬的表麵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、雜質生長等界麵現象的控製因素。目前對液態金屬表麵張力的研究多集中於金屬單質，合金的表麵或界麵行為在理論或實驗上都相當不足，主要是由於精確確定表麵張力十分困難[2]。針對液態鋰錫合金這種新型的核材料，從基礎研究方麵看，目前還沒有一種實驗方法能確定液體界麵的結構，即兩個相之間過渡區域的結構，因此需要有一些假設或模型來滿足表麵張力理論的研究。

本研究從表麵張力的基於波動性理論的方程出發，利用半經驗和經驗方程推廣至液態二元合金體係，采用Gibbs方法初步建立了液態鋰錫合金的表麵張力方程，並開展了影響表麵張力因素的計算，提出了實驗測量液態鋰錫合金表麵張力的初步設計，期望為今後高純鋰錫合金的設計、製備、純化與輸運工藝提供理論參考。

1理論推導

在一元係統中，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麵，在此界麵上存在一個非均勻平衡相，又稱為過渡區或界麵區，描述這種過渡區最基本的物理量是數密度或分布函數。根據統計學密度波動理論，表麵張力y可以表示為兩項之和：

2結果與討論

2.1合金熔融溫度對表麵張力的影響

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LiSn合金表麵張力與其熔融溫度的關係曲線，如圖l所示。

圖1高純液態Li:Sn7合金表麵張力與溫度的關係

由圖l可以看出，隨著合金熔融溫度的升高，其表麵張力下降，且理想的Li Sn;的表麵張力與熔點溫度呈線性關係，這是因為隨著溫度的升高，原子熱運動加劇，振幅變大，表麵質點的受力不對稱性減弱，因而表麵張力下降。當熔融溫度升高到臨界溫度時，氣一液兩相界麵消失，表麵張力為零。

2.2溶質元素對表麵張力的影響

從圖1可以看出，液態鋰錫合金表麵張力剛好介於純li和純Sn之間。這是因為溶質元素對表麵張力的影響分為兩類，一是使表麵張力降低的表麵活性元素Ii，具有正吸附作用；二是使表麵張力提高的非表麵活性元素Sn，具有負吸附作用。無論是Ii中加Sn，還是Sn中加Ii，表麵張力的改變都是因為熔體表麵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，合金的表麵張力變化明顯，而當Sn含量較高時，sn含量的增加對合金的表麵張力影響不大。這與文獻Es]中合金化對表麵張力影響的判斷規則一致，即液態金屬中大部分具有高表麵活性的元素在液態金屬中具有很小的溶解度，在稀溶液中添加表麵張力大的溶質對合金的表麵張力影響有限。

圖2 808K時鋰錫合金表麵張力與溶質元素含量的關係

2.3表麵張力實驗測量的初步設計

測定液態金屬表麵張力有多種方法，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，針對液態鋰錫合金體係，最大氣泡壓力法比較適用。這種方法的優點在於可以在新形成的表麵上連續測量，使表麵汙染效應減至最小。這種方法是將一根毛細管插入液態鋰錫不同深度，吹入氦氣，測量毛細管尖端產生的最大氣泡壓力，通過計算獲得表麵張力。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。由於在液相中不同深度存在壓力差，氣泡實際上並非球形，可以對重力的影響進行修正，獲得表麵張力的絕對值：