英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

气动悬浮：液态氧化物的热物性测量

Florian KARGL ^1,2, Chenchen YUAN ¹ and George Neville GREAVES ^3,4

摘要

我们报告了一个关于紧凑的激光加热气动悬浮设施的研究，该装置可用于测量在高温下液体氧化物的密度、粘度和表面张力等热物理性质。该设备的特点是采用声激励系统的液滴振荡控制，这是测量表面张力和粘度的关键。并提出了液态纯Al₂O₃和CaAl₂O₄粘度与密度的测量结果。对现有的文献数据进行讨论，结果表明，在目前设置的实验中，可测量的温度范围可以被放大。对于高熔点和高活性氧化物熔体，现在可以使用空气动力学悬浮得到高精度的粘度数据。

1. 前言

液体的热物理性质是表征材料在冷却过程中行为的重要参数。特别是在金属合金铸造应用中热物理性能发挥着至关重要的作用。密度，表面张力和粘度，不仅是从技术的角度来了解特殊材料锻造工艺的关键参数，也是了解和制作材料微观结构组成模型的关键参数。由于在常规测量中使用的容器材料具有典型的高反应性，导致对高温液态金属合金或氧化物的热物理性质的测量结果相对较少。但是，随着合适的悬浮技术的出现，特别是对金属及其合金的热物理性质研究向前迈出了重要一步；而另一方面对于氧化物的情况略有不同。到现在为止，密度，粘度和表面张力的数据，已在文献中提出一个明确的焦点是前两者，而且它主要是使用常规技术获得的数据。例如CaO-Al₂O₃-SiO₂系统的摩尔体积已被Courtial和 Dingwell^[3]报道。对于氧化铝和一些以氧化铝为基础的系统的数据确实在悬浮实验中存在^[4,6]。如果我们以氧化铝为例，从测量过程中得到的可以识别的可用数据差别很大，例如，不仅是他们的绝对值，而且温度对其有影响。

在常规测量中，熔融容器反应再次起着重要的作用；而在悬浮实验中，样品蒸发，不受控制的形状变化，以及难以确定绝对温度构成挑战。

然而，关于氧化物系统的深度知识需要从各种观点来看。对温度、化合物的密度和粘度的详细了解是为了了解诸如岩浆流等的地球科学。在钢铁工业中氧化渣对材料细化以及了解钢水流动特性有重要作用。

在本论文中，我们解释了激光加热气动悬浮（ADL）技术，它已经发展到能允许精确测量液态氧化物熔体的密度和粘度。该技术利用振荡降法来确定液滴的粘度。本装置的优点是能够控制液滴振荡激励。

1. 空气动力悬浮

2.1 设置

图1悬浮装置示意图

1）二氧化碳激光器，2）高温计，3）高速摄像机，4）质量流量控制器，5）声激励系统，6）悬浮室，和7）背光照明的激光二极管。

激光加热气动悬浮炉的原有设置已被Langstaff等人^[7]提出。在这里，我们描述了一个进一步的开发版本，能够测量比纯Al₂O₃^[8]更低熔点材料的热物理性质。而且能够在低温（＜1500K）下以一个非常稳定的方式测量。图1显示了这一新设置的概述。该装置由两个30W SynRAD Firestar v40 CO2激光器代替以前使用的SynRAD Evolution Series 125W激光器。这些激光器被安装在彼此的顶部。使用一套平和聚焦金涂层的铜反射镜将激光束定向到悬浮室。聚焦反射镜被用作最终的反射镜。在样品的位置激光的焦点光斑尺寸为直径大约1mm。典型样本大小约为直径2毫米。顶部和底部配置选择是，能够使样品的温度均匀升高，并使底部激光束通过悬浮喷嘴直接到达样品。温度测量是使用单色高温计校准温度为加工材料的已知温度。过冷熔体结晶过程中使用典型的熔点，液相线或再辉温度。假设在所有这些校准中，在其所研究的温度范围内保持恒定的发射率，使用高温计得到Al₂O₃的波长^[7]，这个假设被证明是有效的。

2.2形状测定

样品形状的测定是测量密度，表面张力和液滴粘度的先决条件。这是用高速摄像机（Mikrotron EOSense MotionBlitz Cube 6）结合远心光学系统（SILL）实现每个具有约2.6micro;M.像素的分辨率，而且取样能够有效的放大五倍。远心光学系统确保试样量对样本的微小振动是独立的或使其远离摄像机。为了实现良好的对比度，并独立测量样品的亮度随温度的变化，使用阴影成像技术。因此，由激光束照射悬浮液滴使其阴影投射到相机上。在一个很宽的温度范围内，从本质上来看大约从Al₂O₃的沸点约3300 K到温度很低的情况1500 K，使用一个足够强大的激光二极管（200MW）结合扩束器能产生近平行光束。为了避免其他波长到达相机，使用一个以半导体激光的波长为中心的狭窄（谱线的最大宽度为10nm）带通滤波器。使用LabVIEW程序来确定样品的形状。覆盖样品表面所有记录时间的感兴趣的区域可以被设置为视频文件。在LabVIEW上可以利用图像处理例程来确定在样品表面的点。这通过由Legendre多项式对样品表面的点进行拟合，给出样品表面的适当的描述。然而，当前设置的样品是从侧面横向观察的。由于样品总是部分（1 / 4至1 / 3）被喷嘴隐藏，因此，在表面上的点拟合的椭圆，这原本是一个很好的近似的样本形状，但这也表明，垂直观察的样品将导致错误结果。假定该椭球沿垂直轴旋转对称性，由此可以确定椭球的体积，而且可以使用经高温淬火后记录的试样质量来计算随温度变化的样品密度。对于表面张力和粘度的测量，也取决于先前描述过程的样品形状^[7]。然而，不是对椭球的体积，而是对它随时间的变化和主要轴感兴趣，这些同样可以来确定样品的形状。

2.3振荡降法

为了确定表面张力和粘度对液滴振荡进行了分析，这个分析是基于Lamb^[9]方程和Rayleigh^[10]方程的。在这些方程中表面张力delta;与液滴振荡的共振频率有关，粘度eta;与阻尼振荡常数有关：

在该方程中M是样本的质量，a是它的半径，L是该模式的数量， Gamma;l是阻尼常数的第一模式。通常情况下，采用L= 2的激励幅度模式为观察的主导模式。表面张力的方程对非旋转球形液滴是有效的。在偏离球形形状和样品旋转的共振频率为L= 2模式的情况下，被分成附加指数为0，plusmn;1,plusmn;2的五种模式。 对电磁悬浮修正项进行计算导出了一个求和规则^[11]。但是对于空气动力学悬浮的适当的校正方法是目前未知。然而，已观察到五个单独的模式之间的区别和已确定个人模式的性质^[7]。对于样品粘度测量是在其（L= 2，M= 0）模式激发，并假设样品形状的变化不受旋转影响。与以前的测量报道不同^[4]，当前设置激发样品可以精确地设置其频率以及幅度。对于表面张力的测量，主要受限于记录时间，能够以1Hz到几十赫兹的分辨率进行精确的共振频率扫描。振幅振荡的傅立叶变换，导致可以清楚地分辨共振峰的与频率相关的傅立叶振幅。对于测量粘度定制频率的选择，由样品激发的共振频率和振荡振幅随时间衰减的激发变化过程来确定。

3.实验与讨论

3.1氧化铝密度

图2 Kirschenbau^[12]常规数据，Glorieux^[4]的ADL数据和

Paradis^[13]的静电悬浮数据与液态Al₂O₃密度的数据

图2显示了使用高精度的红宝石单晶为起始原料得到的液态氧化铝的密度（Oscar Moser）与文献资料得到的数据。从文献资料中获得使用容器^[12]得到的数据和使用悬浮的技术^[4,13]得到的数据。与以前的测量相比当前设置的温度范围有很大程度上的扩展。由于低温，造成我们的实验结果与Glorieux等人^[4]的数据有所偏差，Glorieux等人做出了解释，是由于对样品是球对称的这一错误假设和使用样品自发光进行实验造成的。另一方面，Paradis等人^[13]使用静电悬浮得到的数据，可能会由于样品蒸发而受到影响。对于Kirschenbau和Cahill^[12]测量的传统数据，熔体容器相互作用的影响不能排除。

3.2 CaO-Al₂O₃的密度

图3液态氧化铝密度（红色实线）和取自文献（N₂，O₂，和空气） CA的密度，在氩气气氛中测定的CA的密度（圆、直线）相比和使用常规方法确定的数据（立体三角形Courtial 和Dingwell^[3]，开口三角形向上Oliveira等人^[14]）以及分子动力学模拟的数据（开三角形向下

Drewitt等人^[15]。）。

图3显示了CaO和Al₂O₃烧结小片合成得到的CaAl₂O₄ (CA)密度数据与Kumar等人^[5]加压静电悬浮数据。Kumar等人在氮气，氧气和空气气氛中处理CaAl₂O₄ (CA)样品，而目前的工作是使用氩气作为悬浮气体。此外，我们的样品在环境压力条件下进行处理，而Kumar等人的实验样品在几个巴的压力下处理。对Courtial和 Dingwell^[3]和 Oliveira等人^[14]的传统测量数据和Drewitt等人^[15]的分子动力学模拟数据，也进行了比较。总体而言，尽管目前数据的绝对值较低，但是在氮气和空气气氛中处理的CaAl₂O₄ (CA)样品随温度变化的数据与这里报告的数据吻合很好。在氧气气氛中处理的样品，温度的影响更强。而Courtial和 Dingwell^[3]的数据表明在类似的悬浮实验中，Oliveira等人^[14]和Drewitt等人^[15]的数据明显有偏离。CaAl₂O₄ (CA)的熔化和玻璃化转变温度如图所示。Kumar等人的数据报告显示一些玻璃化转变温度中的交叉。然而，如图所示，在整个测量温度范围内的数据在误差范围内呈线性关系。在我们的数据中，在Tm和Tg之间出现了交叉。这可能表明在整个温度范围内的恒定发射率的测量是无效的。另一方面，CaO-Al₂O₃玻璃的玻璃转变温度的随冷却速度的变化的最近报告显示在这里调查的CA样本^[16]在Tg时冷却对其影响很大。用于测量高温计的波长与Courtia等人使用高温计测量的1.4micro;M单波长相比具有更短的波长。调整目前的数据使低温数据更接近在O₂气氛中进行的测量数据，但Courtia等人在O₂和空气之间测量的高温数据仍在下降。此外，要注意的是，在相同的氩气气氛中处理CA和纯氧化铝，CA的密度明显低于纯氧化铝的密度。

3.3Al₂O₃和CaAl₂O₄的粘度

图4 Al₂O₃和CaAl₂O₄液态和过冷态的粘度。

这项工作的CaAl₂O₄ 数据（红色圆盘）与Urbain^[16]文献的CaAl₂O₄数据。Langstaff^[7]，Urbain^[17]和Glorieux^[4]以及 Paradis^[18]的Al₂O₃数据。

图4显示了从传统和通过悬浮获得的各种文献资料中，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[148449]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word