2.3納米熔鹽表面張力分析

利用拉筒法對配制的基鹽及5種加入30nm SiO2納米顆粒的納米熔鹽的表面張力進(jìn)行測量,每隔10℃進(jìn)行一次測量，對得到的實(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。1#納米熔鹽的表面張力在0.1059~0.1219N/m，對數(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，隨溫度變化的趨勢和基鹽及一般熔鹽表面張力的變化趨勢保持一致，均隨溫度的升高呈下降趨勢。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，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)行測量外，也對納米熔鹽強(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。對納米熔鹽的密度和表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。并以此為例，對納米熔鹽強(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)增大對熔鹽表面分子的引力，同時(shí)SiO2納米顆粒也會(huì)對熔鹽表面的分子產(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)測量，提出高溫熔融法制備納米熔鹽的形成機(jī)理，并對納米顆粒對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?。划?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。