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液态Ag-O系表面张力和表面过剩量计算、氧气压力和温度的预测模型——摘要、简介

来源:过程工程学报李天骕 刘剑雄 单显祥 李堪鹏 浏览 94 次 发布时间:2024-05-28

摘要:本工作利用表面能与内聚能的比例关系,计算了液态Ag的表面张力和表面过剩熵。结果显示,随着温度的升高,表面张力近似线性下降,表面过剩熵也逐渐减小,这表明液态Ag表面总是保持有序结构。在此基础上,证明了Ag-O系具有理想溶体性质,并简化了Butler方程,修正了液态Ag-O系表面张力关于氧气压力和温度的预测模型。结果表明,当氧气压力低于10 kPa时,液态Ag-O系的表面张力与温度呈负相关;而当氧气压力高于10 kPa时,随着温度的升高,表面张力呈现先增大后减小的趋势。此外,还探究了O原子的表面偏析行为。研究发现,表面偏析因子与温度和氧气压力均呈负相关,在较低的温度和氧气压力下,O原子倾向富集于表面。


1、前言


表面张力是液态金属的重要物理参数之一,其在控制各种界面现象中发挥着关键作用。因此,获取准确的表面张力至关重要。目前,常用的表面张力测量方法包括滴外形法[1]、最大泡压法[2]、毛细血管上升法[3]和电磁悬浮法[4]等。然而,实验结果之间通常存在较大差异[5]。一方面是实验方法本身存在误差,另一方面则是实验结果受到杂质的影响。实际上,表面杂质存在会显著降低表面张力。对于液态Ag,其与氧之间有很强的亲和力,在氧气压力为100 kPa的条件下,液态Ag能够溶入自身体积约21倍的氧[6]。由于实验过程几乎无法避免氧的存在,并且在高温下测量表面张力也十分困难。因此,表面张力的理论研究受到广泛关注。

Gibbs吸附方程[7]最早用于描述溶液的表面张力和表面过剩量。Langmuir方程[8]基于单层吸附假设,揭示了溶质浓度和表面覆盖度之间的平衡关系。Belton方程[9]在前两者的基础上阐明了溶液表面张力随溶质浓度的变化关系。Szyszkowski经验方程[10]则在拟合表面张力测量结果方面得到广泛应用。然而,这些模型中均存在待确定参数,且依赖大量实验数据,因此预测能力较差。当前,已经发展出诸多理论模型和方法,包括Skapski模型[11]、Eyring理论[12]、梯度理论[13]、Gheribi半经验模型[14]以及蒙特卡罗法[15]和分子动力学法[16]等。但是,这些方法也存在一定的局限性。蒙特卡罗法和分子动力学法在进行计算机模拟时存在较高的波动性和统计不确定性,Gheribi半经验模型和梯度理论均需要大量的实验数据支持,而Skapski模型和Eyring理论则不适用于金属-气体系统研究。在以往的探索中,Butler方程[17]通常用于计算仅含金属的二元合金表面张力,自Kaptay[18]改进了Butler方程后,改进的Butler方程便可用于预测金属-气系统的表面张力[19]。


在本工作中,通过表面能与内聚能的比例关系计算了液态Ag的表面张力和表面过剩熵。基于此,通过合理假设,将液态Ag-O系视为理想溶液,从而简化Butler方程,获得了液态Ag-O系的表面张力关于氧气压力和温度的预测模型。此外,还探究了O原子的表面偏析行为。该研究为深入探索液态Ag-O系的表面性质提供数据支持,并为金属-气系统表面张力预测模型的优化提供参考。



液态Ag-O系表面张力和表面过剩量计算、氧气压力和温度的预测模型——摘要 、简介

液态Ag-O系表面张力和表面过剩量计算、氧气压力和温度的预测模型——模型

液态Ag-O系表面张力和表面过剩量计算、氧气压力和温度的预测模型——结果与讨论