高温金属熔体黏度的静电悬浮实验测量及理论推算

The viscosity of high temperature melts is the key to study the structure, flow behavior and interatomic force of metals. It also is one of the key thermal physical parameters for the materials processing and crystal growth in industrial production. The electrostatic levitation technology is the idea technologyto study the thermal properties of high temperature metals, due to its containerless condition, high temperature and wild application of materials. In this project, based on the electrostatic levitation furnace in our group, with the drop oscillations method, the viscosity of high temperature metals will be measured. With the impact analysis, such as the sample evaporation, rotatetransform, etc., the accuracy of the measurement was improved. The viscosities of various metal and alloy melts with different temperature (<3000K) and undercooling (<500K) were measured. With the experimental data, the rule about viscosity and thermodynamic parameters will be studied. The relation between viscosity and interatomic force will also be discussed, in order to model the hypothesis fluid model for the high temperature metal melt. Based on the proposed model, with free volume theory and friction theory, a theory equation for viscosity of high temperature metal melts will be derived. With the study in this project, we will provide technical support for the development of containerless furnace in the China space station. And also, to provide data and theory support for research of the nature of viscosity, structure and flow behavior of melts and industrial materials processing.

高温金属熔体黏度是研究熔体结构特性、流动特性以及熔体原子势能函数的关键参数，是合金制备、晶体生长过程的重要热物性参数之一。而静电悬浮技术由于其无容器、适用范围广、易实现高温和高过冷等优点成为高温熔体黏度测量的理想方法。本项目拟采用液滴振荡法建立基于现有静电悬浮炉的黏度测量系统，通过对样品蒸发、旋转变形等影响因素的研究，修正测量原理，提高系统测量精度，并实现对最高温度3000K和最高过冷度500K时，铌基、钛基高温合金体系熔体黏度的精确测量。同时，通过对黏度与相关热力学参数之间的关联性表征，探讨金属熔体黏度与原子间相互作用力之间的关系，建立适用于高温金属熔体的流体模型，并结合自由体积理论和摩擦理论，推导适用于高温金属熔体黏度的理论推算方程。通过本项目的研究将为我国空间无容器实验装置研制提供技术支持，为理解熔体黏度物理机制、研究高温熔体结构和流动特性、研究材料制备过程提供一定的数据和理论支持。

高温金属熔体黏度是研究熔体结构特性、流动特性以及熔体原子势能函数的关键参数，是合金制备、晶体生长过程的重要热物性参数之一。而静电悬浮技术由于其无容器、适用范围广、易实现高温和高过冷等优点成为高温熔体黏度测量的理想方法。.本项目建立基于现有静电悬浮炉的黏度测量系统，通过完善测量装置、改进数据处理算法等手段，提高现有静电悬浮炉系统粘度测量精度，并实现对熔体材料密度、黏度、表面张力的精确测量，项目完成后的密度测量标准不确定度为1.85%，表面张力测量标准不确定度为1.59%，粘度测量不确定度为11.62%。同时，与JAXA等文献数据相比，粘度测量偏差为-6.41%。另一方面，本项目通过对黏度与相关热力学参数之间的关联性表征，探讨金属熔体黏度与原子间相互作用力之间的关系，建立了适用于高温金属熔体的流体模型，并结合自由体积理论和摩擦理论，推导适用于高温金属熔体黏度的理论推算方程。通过本项目针对密度、表面张力及粘度系数的测量方法以及数据处理算法将应用于中国空间站空间材料科学无容器材料实验柜中对高温熔体物性的测量中，为空间材料科学高温熔体物性测量提供可靠的计数支持。同时，本项目推导的理论方程，也为理解熔体黏度物理机制、研究高温熔体结构和流动特性、研究材料制备过程提供一定的数据和理论支持。