2.3納米熔鹽表面張力分析

利用拉筒法對(duì)配制的基鹽及5種加入30nm SiO2納米顆粒的納米熔鹽的表面張力進(jìn)行測(cè)量,每隔10℃進(jìn)行一次測(cè)量，對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，擬合公式以及擬合系數(shù)見表3。

樣品的表面張力值隨溫度變化如圖7所示?？梢钥吹?，在250~480℃內(nèi)，基鹽的表面張力在0.1044~0.1188N/m，表面張力隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)。1#納米熔鹽的表面張力在0.1059~0.1219N/m，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，擬合系數(shù)在0.995以上，擬合程度較好。2#納米熔鹽的表面張力在0.1117~0.1301N/m，擬合系數(shù)為0.996，隨溫度變化的趨勢(shì)和基鹽及一般熔鹽表面張力的變化趨勢(shì)保持一致，均隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)。3#和4#納米熔鹽的表面張力在0.1075~0.1232 N/m和0.1085~0.1265 N/m，擬合系數(shù)都在0.994以上，其中4#納米熔鹽的擬合系數(shù)與2#納米熔鹽的擬合系數(shù)相同，均為0.996，擬合程度最好。5#納米熔鹽的表面張力在0.1115~0.1305N/m，擬合系數(shù)為0.991。

樣品的表面張力值隨溫度變化如圖7所示。

如圖7所示，納米熔鹽的表面張力均隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)，與單組分熔融鹽和多組分混合熔融鹽的表面張力隨溫度變化的趨勢(shì)保持一致。5種納米熔鹽的表面張力與基鹽相比均有所增大。與基鹽相比，1#納米熔鹽的表面張力增加幅度最小，平均提高2.32%;5#納米熔鹽的表面張力增加幅度最大，平均提高9.14%;2#納米熔鹽表面張力平均提高8.26%;3#納米熔鹽表面張力平均提高3.66%，4#納米熔鹽表面張力平均提高5.85%。

圖8為不同溫度工況點(diǎn)下樣品表面張力隨納米顆粒濃度的變化情況，當(dāng)SiO2納米顆粒濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0.3%時(shí)，納米熔鹽的表面張力出現(xiàn)一個(gè)小峰，當(dāng)SiO2納米顆粒濃度為0.5%，納米熔鹽的表面張力隨之減小，隨后開始增大。文獻(xiàn)中提出，在熔融鹽中加入SiO2納米顆粒后，由于分子間作用力和納米熔鹽配制過程中的攪拌作用，熔融鹽會(huì)在納米顆粒周圍形成一種納米云核，由于熔融鹽會(huì)包裹在納米顆粒周圍，而將熔融鹽吸附在納米顆粒周圍的力會(huì)隨熔融鹽與納米顆粒的距離發(fā)生變化，與納米顆粒直接接觸的熔融鹽受到的作用力較大，不容易再一次變成游離的熔融鹽，而距離納米顆粒較遠(yuǎn)的熔融鹽，由于所受到的力較小，會(huì)受到溫度等因素的影響，更加容易再次處于游離態(tài)。而當(dāng)加入特定的SiO2納米顆粒濃度時(shí)，熔融鹽受到的力能夠使得其包裹在SiO2納米顆粒周圍，即出現(xiàn)如圖8所示中存在的小峰。而當(dāng)加入的SiO2納米顆粒濃度逐漸增大時(shí),熔融鹽分子與SiO2納米顆粒形成的納米云核的尺寸開始發(fā)生變化，因此表面張力隨SiO2納米顆粒濃度的增大而增大。

圖8為不同溫度工況點(diǎn)下樣品表面張力隨納米顆粒濃度的變化情況。

2.4納米熔鹽機(jī)理分析

將納米顆粒加入熔融鹽中，能夠改變?nèi)廴邴}的熔點(diǎn)、比熱容、熱導(dǎo)率等熱物性。在已有的文獻(xiàn)中除了熱物性進(jìn)行測(cè)量外，也對(duì)納米熔鹽強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，并且提出了多種模型對(duì)納米熔鹽強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行解釋，但是這些機(jī)理描述前后存在許多矛盾。而納米熔鹽配制方法的不同也存在著不同的納米熔鹽熱物性強(qiáng)化機(jī)理。本實(shí)驗(yàn)采用高溫熔融法，將SiO2納米顆粒分散至solar salt中，配制得到納米熔鹽。對(duì)納米熔鹽的密度和表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。并以此為例，對(duì)納米熔鹽強(qiáng)化密度和表面張力的機(jī)理進(jìn)行分析。

在使用高溫熔融法制備納米熔鹽時(shí)，SiO2納米顆粒具有很強(qiáng)的活性，當(dāng)與solar salt進(jìn)行混合后，SiO2納米顆粒表面缺少的配位的原子，會(huì)與solar salt中的堿金屬原子和氧原子作用，形成K一O鍵和Na-O鍵以及Si-O鍵，如圖9(a)所示。因此solar salt由于化學(xué)鍵的作用會(huì)在SiO2納米顆粒表面形成穩(wěn)定的化學(xué)吸附層，在使用高溫熔融法對(duì)納米熔鹽進(jìn)行攪拌時(shí)，熔鹽分子會(huì)由于范德華力和靜電力的作用，吸附在納米顆粒表面，形成多層物理吸附層，如圖9(b)所示。而當(dāng)納米顆粒最外層熔鹽分子受到的范德華力和靜電力作用處于平衡時(shí)，會(huì)形成以SiO2納米顆粒為中心周圍包裹著熔鹽分子的納米云核，利用高溫熔融法將SiO2納米顆粒分散至熔融鹽中形成的納米云核如圖9(c)所示。

如圖9所示。

采用高溫熔融法制備納米熔鹽時(shí)，由于范德華力和靜電力的作用會(huì)有大量的熔鹽分子包裹在SiO2納米顆粒周圍，而SiO2納米顆粒的密度為2.20g/cm3，與solar salt的密度相差不大，且在solar salt中加入的SiO2納米顆粒較少，因此形成的納米云核中熔融鹽分子的密度占主導(dǎo)地位，SiO2納米顆粒對(duì)solar salt的密度影響可忽略不計(jì)，也能夠很好地解釋在密度實(shí)驗(yàn)中測(cè)得5種納米熔鹽的密度與基鹽的密度保持一致。

表面張力是液體表面分子為了對(duì)抗與液體內(nèi)部分子之間的作用力而產(chǎn)生的力。在solar salt中加入SiO2納米顆粒后，會(huì)有大量的熔鹽分子包裹在SiO2納米顆粒周圍，形成納米云核后會(huì)對(duì)熔鹽液面的分子產(chǎn)生一個(gè)作用力，因此在solar salt中加入SiO2納米顆粒后，會(huì)使得熔鹽的表面張力增大。在熔鹽系統(tǒng)中形成的納米云核對(duì)表面張力的影響會(huì)隨著SiO2納米顆粒周圍熔鹽厚度的改變而改變。

當(dāng)在solar salt中加入的SiO2納米顆粒濃度小于0.3%時(shí)，由于SiO2納米顆粒濃度較小，包裹在SiO2納米顆粒的熔鹽分子早已達(dá)到飽和，因此表面張力會(huì)隨著SiO2納米顆粒濃度的增加而增加。而當(dāng)SiO2納米顆粒濃度大于0.3%，小于0.5%時(shí)，此時(shí)包裹在SiO2納米顆粒周圍的熔鹽分子未達(dá)到飽和，此時(shí)的表面張力會(huì)減小。當(dāng)SiO2納米顆粒的濃度大于0.5%時(shí)，由于加入的SiO2納米顆粒的濃度較大，納米云核中熔鹽分子層的厚度較薄，納米云核之間開始相互作用，而納米云核的聚集會(huì)增大對(duì)熔鹽表面分子的引力，同時(shí)SiO2納米顆粒也會(huì)對(duì)熔鹽表面的分子產(chǎn)生一個(gè)用力，從而使得表面張力增大，并且會(huì)隨著SiO2納米顆粒濃度的增加表面張力也隨之增大。

3結(jié)論

利用高溫熔融法，將30nm的SiO2納米顆粒分散至solar salt中，制得5種納米熔鹽，并對(duì)solar salt和5種納米熔鹽的密度和表面張力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，提出高溫熔融法制備納米熔鹽的形成機(jī)理，并對(duì)納米顆粒對(duì)熔融鹽密度和表面張力的影響機(jī)理進(jìn)行解釋分析。主要得出以下結(jié)論。

(1)搭建的密度-表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠在高溫下測(cè)量熔體的密度和表面張力，密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)的最大偏差值低于0.12%，表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)的最大偏差值低于4.0%；利用高溫熔融法在solar salt中加入30nm的SiO2納米顆粒，制備了基鹽及5種納米熔鹽，得到了納米熔鹽密度和表面張力隨溫度和SiO2納米顆粒濃度的變化情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了密度和表面張力隨溫度的擬合關(guān)系式。

(2)納米熔鹽的密度不隨SiO2納米顆粒濃度的改變而改變，且5種納米熔鹽的密度均與基鹽的密度保持一致。

(3)納米熔鹽的表面張力與加入的SiO2納米顆粒濃度有關(guān)，當(dāng)SiO2納米顆粒濃度小于0.5%時(shí)，納米熔鹽的表面張力先增大后減??；當(dāng)SiO2納米顆粒濃度大于0.5%時(shí)，納米熔鹽的表面張力隨SiO2納米顆粒濃度的增加而增大。

(4)采用高溫熔融法制備納米熔鹽時(shí)，由于SiO2納米顆粒表面缺少配位的原子，熔融鹽分子會(huì)在SiO2納米顆粒周圍先形成化學(xué)吸附層，隨后由于攪拌的作用，形成物理吸附層，最終以納米云核的形式存在于熔鹽體系中。