液态金属在非均匀多孔介质表面的润湿行为研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:杨军

  基于Wenzel 模型和Cassie 模型,研究了金属液滴在区域非均匀多孔介质表面的润湿行为。结果表明,大孔、小Young氏接触角区域对液滴更易表现高粘附性;而在小孔、大Young氏接触角区域,由于低粘附性,液滴会向大孔区域表现出爬移行为。提出借助非均匀区域周期性组合的方法来防止液滴飞溅的“自束液”防溢设计思路,为在微重力环境下,液态金属热管、离子电推进器及原子钟等航天星载产品在振动条件下能正常工作提供潜在应用的可能性。

  引言

  对于热管、电推进器及原子钟,当其中的工作质为液态贵金属(如钠、钾、铷、铯、镓等)时,在微重力环境下对其的储存技术是至关重要的。这不仅关系到产品的工作寿命,而且影响着其表现性能。对星载铯钟而言,其铯炉中液态铯的防溢设计是决定星载铯钟能否正常工作的先决条件,也是地面铯钟与空间铯钟在物理设计上主要的不同之处。在星载原子钟平台中采用铯原子钟能够有效提高全球卫星导航系统长期自主运行能力,这也是美国GPS和俄罗斯GLONASS采用星载铯钟并不断提高其指标的原因。

  目前,微重力环境下液态金属的防溢设计主要有两种技术途径:一是优化其储箱的宏观结构设计;二是在储箱中引入微观多孔介质材料。其中,被引入的多孔介质可扮演两种角色,一种是主动束缚型,即液态金属完全被填充到多孔介质当中,形成含液多孔介质;另一种是被动束缚型,即多孔介质被放置在金属气体的出口端,形成含气多孔介质。一般采用多元组合、多级联合的防溢设计策略能够更有效的阻止液态金属在空间振动环境下形成孤立液滴,甚至洪流等现象的出现,可避免造成元器件的失效。不仅起到粘附防溢的作用,而且具有稳流,可循环功能,极大地提高了元器件的可靠性及在轨运行寿命。

  考虑到金属液滴附着在多孔介质表面时的润湿行为对防溢设计的重要性,通过将实际问题模型化,基于经典润湿模型和毛细粘附理论,研究了三种金属液滴在多孔介质表面的润湿行为,进而提出了一种防止液滴飞溅的“自束液”防溢设计策略。

1、物理模型

  在振动条件下,处于失重状态下的液态金属会沿着多孔介质通道爬移到浸润表面形成粘着液滴。若振动达到某一量级,表面上的液滴甚至会溅射成为液体团块而四处漂浮。对于铯原子钟,当其聚集在准直缝上时会阻塞铯原子束的形成,进而弥散到铯束管内,影响铯原子钟的正常运行。这些漂浮的铯原子打在探测器上形成本底噪声,降低信噪比和稳定度。若铯原子沉积在电极上,降低了电极间的绝缘性能,造成高压短路,使铯原子钟无法工作。对于钾型热管,一旦有大量液体溢出循环通道,会造成因热毛细抽力不足而断流的现象,使其不能正常工作。在镓离子等的电推进器中,多孔介质吸液芯一旦不能提供所需的毛细抽压,那么液态镓就无法被送到强电场“尖端”而被高能离化形成离子流,形成反向推力。在这些器件中,液体防溢技术的关键在于首先研究清楚多孔介质特性(如材料种类、形貌结构等)对其表面金属液滴润湿行为的影响。

  基于上述考虑,通过研究考察铯液滴的润湿行为,初步确立在束液设计中多孔介质材料所要具备的物理、化学特性。如图1所示,建立基本物理模型,当无柄液滴与多孔介质表面形成只有液-固界面的完全润湿态时,则该润湿状态可用Wenzel 模型[5]和Cassie模型[5]来描述,且两模型控制方程分别为:

液态金属在非均匀多孔介质表面的润湿行为研究

  式中:θ为表观接触角;θY为Young氏接触角;r 为多孔介质表面粗糙因子;f 为多孔介质材料表观界面组分。

  为进一步简化模型,首先考虑液滴在均匀区域的润湿行为,假设由同种材质构成的多孔介质表面为孔径大小一致且呈周期分布的微构型表面。其中,孔径为d,孔间距为s,膜厚为h,表面粗糙因子r和表面组分f 分别可表示为:

液滴在多孔介质表面的润湿模型

图1 液滴在多孔介质表面的润湿模型

  由此可见,在束液设计中,对于多孔介质的选择,不仅需要考虑材料的Young氏接触角,更重要地是对多孔介质材料结构参数的选择。实际孔径尺度在微米量级范围内,而孔间距远大于孔径。

3、结论

  基于经典润湿模型,主要研究了三种金属液滴在区域非均匀多孔介质表面的自润湿状况。研究发现,当液滴处在大孔、小Young氏接触角表面时,材料表面对液滴更易表现高粘附特性;相反当液滴处在小孔、大Young 氏接触角区域时,由于低粘附性,液滴会向高粘附区域表现出爬移行为。多孔介质所具有的可控性润湿特性,能够有效的实现在空间环境下束缚液态金属的目标。基于上述特性,提出一种借助非均匀区域周期性组合的方法来防止液滴飞溅的“自束液”防溢设计策略,为在微重力环境下,液态金属热管、离子电推进及原子钟等航天产品在振动条件下能正常工作提供潜在应用的可能性。

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