机械振动对液态金属表面张力的影响

摘要

表面张力是表面化学、材料冶金等众多学科中重要的物理化学参数,在金属的精炼提取、复合材料和功能材料的制备、电镀与涂料、表面活性剂的应用、生物膜领域与表面张力都有密切的关系,振动铸造是在传统的铸造工艺中外加了振动场,这种铸造工艺得到了广泛的研究,而在铸造合金熔化、浇注、凝固和成型过程中都存在表面张力的影响,学者们对表面张力开展了广泛的研究和探讨。
　　在这些研究中发现:机械振动的作用会对金属的充型能力、热裂纹、脱气、夹杂物有很大的影响,而这些结果中大多是定性的理论分析,也很少进行理论上的验证,而对表面张力的影响因素研究中主要包括物质的结构、温度、压力、组分等,也研究了表面张力与其熔点、电子密度、元素序数的关系,磁场以及电场的作用也有研究,但是对于振动场的研究很少,通过对以上的分析进行的研究的主要有:
　　对表面张力的测量方法进行了研究,将传统的最大泡压法进行了改进,采用了双毛细管测量方法以及通过振动毛细管的方法,设计一套表面张力测量的装置,实现了振动场下的表面张力的测量。
　　通过自行设计的表面张力装置对铝以及A356铝合金表面张力进行了测量,实验得到铝的表面张力为0.8542N·m-1,实验误差在±0.02N·m-1,根据气泡压力曲线的分析,提出了采用压力峰值进行表面张力的计算,得出的实验结果与文献值接近,相对误差在0.8％。
　　研究了机械振动的频率对表面张力的影响,液态铝在720℃的表面张力为0.8542N·m-1,在考虑振动负压的影响测得出20Hz、35Hz、40Hz振动频率下的表面张力分别为0.7641N·m-1、0.7201N·m-1、0.6612N·m-1,在振动频率为40Hz的情况下表面张力降低了0.1930N·m-1,表面张力的振动频率影响系数为0.0048,这种影响甚至大过于温度对其的影响,表面张力的温度影响系数一般在0.0002这表明表面张力受到外力场振动频率对表面张力有着很大影响。
　　对振动频率对表面张力系数影响机理进行了探讨,根据弗伦克尔表面张力的双电层理论,界面处金属粒子的运动速度将提高,使得振动场区域的金属粒子间距离变大,金属离子的价电子数也将会受到振动场的作用,价电子的跃迁的机会增大,从热力学的角度分析,振动场对界面的作用是一个做功的过程,对于气体以及金属液体粒子之间的接触机会将会提高,这将减小界面两处受力的不平衡性,振动的过程会有热量的产生,这部分能量液会使得表面张力的降低。