摘要：液态锂锡合金是很有前景的能源堆液态包层氚增殖剂材料。为了对液态锂锡合金的设计、制备、纯化与输运技术提供理论支持，从表面张力基于波动性理论的方程出发，采用Gibbs方法初步建立了液态锂锡合金的表面张力方程，并开展了影响表面张力因素的计算。结果表明，液态锂锡的表面张力随合金温度的升高而降低；在稀溶液中添加表面张力较高的溶质Sn对合金的表面张力影响有限；可采用最大气泡压力方法测量液态锂锡的表面张力。

核能是公认现实可行的、可大规模替代常规能源的清洁能源。聚变堆或聚变_裂变混合堆液态金属包层因其固有特性和优势，在国际上被普遍认为是未来电站最具发展潜力的包层设计方案之一。作为包层氚增殖剂和冷却剂的锂锡合金与锂铅合金一样，具有广阔的发展前景，其制备、纯化、质量输运等工艺难题正逐步得到重视。液态金属的表面张力不仅是认识和理解冶炼过程最基本的物理量之一，而且是气体吸收、气泡形核、杂质生长等界面现象的控制因素。目前对液态金属表面张力的研究多集中于金属单质，合金的表面或界面行为在理论或实验上都相当不足，主要是由于精确确定表面张力十分困难[2]。针对液态锂锡合金这种新型的核材料，从基础研究方面看，目前还没有一种实验方法能确定液体界面的结构，即两个相之间过渡区域的结构，因此需要有一些假设或模型来满足表面张力理论的研究。

本研究从表面张力的基于波动性理论的方程出发，利用半经验和经验方程推广至液态二元合金体系，采用Gibbs方法初步建立了液态锂锡合金的表面张力方程，并开展了影响表面张力因素的计算，提出了实验测量液态锂锡合金表面张力的初步设计，期望为今后高纯锂锡合金的设计、制备、纯化与输运工艺提供理论参考。

1理论推导

在一元系统中，两个不同的体积相——液相和气相共存提供了一个平直的气一液界面，在此界面上存在一个非均匀平衡相，又称为过渡区或界面区，描述这种过渡区最基本的物理量是数密度或分布函数。根据统计学密度波动理论，表面张力y可以表示为两项之和：

2结果与讨论

2.1合金熔融温度对表面张力的影响

目前能源堆包层设计中所采用的锂锡合金为1 Sn，假设合金高纯无杂质，将其成分代入式(12)，可以得到高纯液态LiSn合金表面张力与其熔融温度的关系曲线，如图l所示。

图1高纯液态Li:Sn7合金表面张力与温度的关系

由图l可以看出，随着合金熔融温度的升高，其表面张力下降，且理想的Li Sn;的表面张力与熔点温度呈线性关系，这是因为随着温度的升高，原子热运动加剧，振幅变大，表面质点的受力不对称性减弱，因而表面张力下降。当熔融温度升高到临界温度时，气一液两相界面消失，表面张力为零。

2.2溶质元素对表面张力的影响

从图1可以看出，液态锂锡合金表面张力刚好介于纯li和纯Sn之间。这是因为溶质元素对表面张力的影响分为两类，一是使表面张力降低的表面活性元素Ii，具有正吸附作用；二是使表面张力提高的非表面活性元素Sn，具有负吸附作用。无论是Ii中加Sn，还是Sn中加Ii，表面张力的改变都是因为熔体表面层质点的力场分布不对称性程度的改变，如图2所示。

从图2可以看出，当Sn在合金中的含量较小时，合金的表面张力变化明显，而当Sn含量较高时，sn含量的增加对合金的表面张力影响不大。这与文献Es]中合金化对表面张力影响的判断规则一致，即液态金属中大部分具有高表面活性的元素在液态金属中具有很小的溶解度，在稀溶液中添加表面张力大的溶质对合金的表面张力影响有限。

图2 808K时锂锡合金表面张力与溶质元素含量的关系

2.3表面张力实验测量的初步设计

测定液态金属表面张力有多种方法，包括毛细管上升法、最大液滴法、最大气泡压力法、座滴法、悬滴法、滴重法等，针对液态锂锡合金体系，最大气泡压力法比较适用。这种方法的优点在于可以在新形成的表面上连续测量，使表面污染效应减至最小。这种方法是将一根毛细管插入液态锂锡不同深度，吹入氦气，测量毛细管尖端产生的最大气泡压力，通过计算获得表面张力。如果吹出的气泡是一个理想的球形，即：

式中：P为最大气泡压力，pI为锂铅密度，为液滴深度，r为毛细管半径。由于在液相中不同深度存在压力差，气泡实际上并非球形，可以对重力的影响进行修正，获得表面张力的绝对值：