引言

深過冷技術通過抑制凝固過程中的異質(zhì)形核，使液態(tài)金屬冷卻至遠低于平衡凝固點溫度而不發(fā)生晶體形核。這種遠離熱力學平衡的亞穩(wěn)態(tài)為研究液態(tài)金屬熱物理性質(zhì)提供了獨特窗口。然而，深過冷狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)稀缺，制約了凝聚態(tài)物理和材料科學的定量發(fā)展。表面張力作為關鍵熱物理性質(zhì)，不僅影響凝固過程，還決定了材料最終性能。本研究聚焦Ni-15%Sn合金，通過電磁懸浮與液滴振蕩法，實現(xiàn)了265K的過冷度，為深過冷熔體研究提供了新范式。

深過冷技術的核心在于避免異質(zhì)形核。傳統(tǒng)接觸式測量方法因器壁接觸引入形核點，難以實現(xiàn)深過冷。無容器處理技術如電磁懸浮，有效隔離了外部干擾，為高溫熔體研究開辟了新途徑。本文結合實驗數(shù)據(jù)，深入剖析技術原理與結果，挖掘表面張力與動力學參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。

實驗方法

電磁懸浮技術利用高頻交變電磁場與金屬樣品的相互作用，實現(xiàn)懸浮熔煉。交變電流產(chǎn)生的高頻磁場在樣品中感生渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，抵消重力并加熱樣品。這種非接觸方式避免了污染，為深過冷創(chuàng)造了條件。實驗采用99.999%高純Ni和Sn制備合金樣品，直徑4-7mm，質(zhì)量約0.8g。真空環(huán)境優(yōu)于1.0×10??Pa，氦氬混合氣體作為氛圍，氫氣混合氣體控制冷卻，確保了實驗純度。

懸浮液滴在表面張力作用下產(chǎn)生振蕩，振蕩行為與表面張力直接相關。Rayleigh最早建立了振蕩頻率與表面張力的理論關系：σ=Mω2/(8π2)，其中M為質(zhì)量，ω為振蕩頻率。然而，重力場導致頻率分裂，需通過多峰分析計算真實頻率。Cummings和Blackburn的研究表明，地球重力下頻率常分裂為三峰或五峰，取決于線圈設計。微重力環(huán)境則呈現(xiàn)單峰，簡化了分析。本實驗通過頻譜處理，采用公式ω2=ω_max2+ω_min2+ω_middle2-ω_tr2計算Rayleigh頻率，確保了數(shù)據(jù)準確性。

振蕩信號通過紅外非接觸測量獲取，經(jīng)光電轉換、濾波和FFT處理，得到頻譜分布。低頻峰對應質(zhì)心平移，高頻峰反映表面振蕩。該方法避免了傳統(tǒng)測量的形核問題，實現(xiàn)了1368-1915K溫度范圍內(nèi)的連續(xù)觀測。實驗設計的創(chuàng)新點在于結合了高真空環(huán)境與氣體冷卻控制，確保了過冷態(tài)的穩(wěn)定性。

實驗結果

實驗測得Ni-15%Sn合金表面張力在1368-1915K范圍內(nèi)呈線性遞減：σ=1316.7-1.01(T-T_L)mN/m，其中T_L=1623K為合金熔點。線性關系表明，在深過冷狀態(tài)下，表面張力隨溫度連續(xù)變化，熔點處無突變。這一結果與常規(guī)液態(tài)金屬行為一致，但過冷度達265K（0.16T_L），擴展了溫度區(qū)間。

數(shù)據(jù)可靠性通過多維度驗證。樣品揮發(fā)損失小于0.5%，對表面張力影響可忽略。與文獻對比顯示，本研究在1773K和1743K的數(shù)據(jù)分別為1191mN/m和1156mN/m，高于文獻報告的1133mN/m和1000mN/m。差異源于深過冷實驗的高純度環(huán)境，減少了雜質(zhì)導致的表面張力降低。本實驗通過真空熔煉和氣體控制，提升了數(shù)據(jù)真實性。

表面張力與成分相關。Ni-Sn合金的表面張力隨Sn含量變化，符合二次曲線關系。本研究為二元合金表面張力數(shù)據(jù)庫提供了新數(shù)據(jù)，支持了成分依賴性的理論模型。線性溫度系數(shù)-1.01 mN/m·K反映了原子間作用力隨溫度的變化規(guī)律，為熔體結構研究提供了依據(jù)。

振蕩信號和頻譜圖直觀展示了實驗過程。時域信號包含振蕩細節(jié)，頻域分析通過FFT揭示了主頻峰。該方法的高靈敏度確保了微小頻率變化的檢測，為表面張力計算奠定了基礎。

黏度與擴散系數(shù)

表面張力與黏度系數(shù)、擴散系數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)Egry關系，η=mσ/(kTr)，其中η為黏度，m為原子質(zhì)量，k為玻爾茲曼常數(shù)，r為特征長度。擴散系數(shù)D=kT/(mη)。基于表面張力數(shù)據(jù)，計算得到Ni-15%Sn合金的黏度和擴散系數(shù)隨溫度變化關系。

黏度系數(shù)遵循Arrhenius公式：η=η?exp(Eη/kT)，Eη為黏液活化能。活化能包括質(zhì)點移動能和空隙通過能，是溫度的函數(shù)：Eη=Eη?+βT。計算得Eη?=3.99×10?J/mol，低溫下βT項可忽略。擴散激活能E_D同樣為3.99×10?J/mol，表明黏滯流動與擴散過程具有相似能壘。

這些參數(shù)揭示了熔體原子尺度的動力學行為。黏度反映流動阻力，擴散系數(shù)表征原子遷移率。在深過冷狀態(tài)下，這些參數(shù)的非平衡特性為凝固動力學研究提供了輸入。例如，高黏度可能促進玻璃形成，而擴散系數(shù)影響相分離行為。本研究通過表面張力間接推導動力學參數(shù)，避免了直接測量的困難。

表面張力-溫度曲線直觀展示了線性遞減趨勢。數(shù)據(jù)點分布密集，擬合優(yōu)度高，證實了模型的可靠性。圖表化呈現(xiàn)增強了結果的可視化，便于對比分析。

討論

本研究的核心創(chuàng)新在于電磁懸浮與振蕩法的結合。電磁懸浮技術通過高頻磁場實現(xiàn)無接觸懸浮，避免了異質(zhì)形核。線圈設計優(yōu)化了懸浮穩(wěn)定性，重力補償策略解決了頻率分裂問題。振蕩法利用表面張力驅動的自然振蕩，無需外部激勵，減少了干擾。

實驗環(huán)節(jié)的精心設計確保了數(shù)據(jù)質(zhì)量。高真空環(huán)境降低了氧化風險；氦氬混合氣體提供了惰性氛圍；氫氣冷卻實現(xiàn)了可控降溫。樣品制備采用電弧熔煉，保證了成分均勻性。這些細節(jié)體現(xiàn)了實驗物理的精密性。

與現(xiàn)有技術對比，本方法優(yōu)于座滴法或氣泡壓力法。無容器處理實現(xiàn)了深過冷，振蕩法提供了動態(tài)測量能力。不足之處在于設備復雜度高，微重力環(huán)境可進一步簡化頻率分析。未來可結合空間實驗，提升測量精度。

黏度和擴散系數(shù)曲線顯示了隨溫度升高而變化的趨勢。Arrhenius行為明顯，活化能計算為基礎理論提供了實驗支持。圖表結合公式，深化了對熔體動力學的理解。

結論

本研究成功測定了Ni-15%Sn合金深過冷熔體的表面張力，獲得了線性溫度依賴關系。通過衍生計算，得到了黏度系數(shù)、擴散系數(shù)及活化能參數(shù)。實驗方法展現(xiàn)了電磁懸浮技術的優(yōu)勢，為高溫熔體研究提供了可靠方案。

深過冷研究的意義超越表面張力測量。它為凝固理論、非平衡動力學提供了數(shù)據(jù)支撐。未來工作可擴展至其他合金體系，或結合分子模擬驗證理論模型。在材料設計領域，表面張力數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化鑄造工藝，控制凝固組織。