液态金属无管虹吸效应的介绍

无管虹吸是一种在非牛顿流体中发现的特殊虹吸效应，1908年Fano首次对该效应进行了报道［18］。在牛顿流体的虹吸过程中，将管口提高至脱离液面，虹吸过程会立刻停止。对于聚合物流体或者聚合物悬浮液而言，当管口上升到自由液面之上时，液体仍然源源不断地被吸入虹吸管中。这一特殊的流动现象吸引学者进行了系统研究［19，20］。该效应可以用来测量非牛顿流体的拉伸黏度［21，22］。

图6.24　三种F型流道中液滴产生过程［17］

液态金属与合金的流动特性对于理解冶金、核能、焊接和热喷涂等工业过程具有重要意义。在20世纪，大量的实验和理论研究一直致力于金属流体的流动行为。在过去的研究中的一个基本假设是液态金属系牛顿流体，这意味着流体中任意点上的黏性应力与应变率存在线性关系［23］。然而，最近的研究揭示了液态金属系统的非牛顿流体特性。Jeyakumar通过旋转流变仪实验评价锌、锡与铬液体及其合金的流动行为［24］。结果表明，这些金属液体具有非牛顿流体的剪切变稀和时间依存流动行为。

笔者实验室Ding等的研究首次揭示了液态金属无管虹吸流动［25］。实验研究了流量与管径对虹吸行为的影响。根据流场中的力平衡，建立了纯液态金属虹吸的理论模型，并通过在金属液体中加入微米尺度铜颗粒来调节其黏度和流动行为。采用的实验装置如图6.25所示。液态金属GaIn24.5放置在直径60 mm的培养皿中，液态金属的初始体积为150 mL。橡胶管的一端固定在支架上，插入液态金属自由表面，另一端连接到10 mL注射器，安装在注射泵（Longer LSP10-2A）上。实验发现，当流量过大或过小时，无管虹吸流动很难维持，为此特别用注射泵在10～50 mL/min的恒定流量范围内吸取液态金属。随着液面的下降，管口逐渐离开液体表面，但液体仍被持续不断地吸进管中，从而在管口与自由液面之间形成无支撑的液柱。

图6.25　液态金属无管虹吸实验［25］(www.xing528.com)

a.装置示意；b.液态金属无管虹吸形态；c.液柱控制单元。

笔者实验室通过一系列实验，揭示了虹吸速度和管径对于纯金属和含颗粒液态金属的影响［25］。如图6.26所示，一个高度约3 mm的液柱在液面下降到管口以下后逐渐建立。当液态金属液柱达到临界高度时，由于力平衡的破坏出现颈缩，液柱从中部断裂，虹吸流动停止。整个虹吸过程持续了约8 s。

含有2%铜颗粒的悬浮液的实验结果显示［25］，无管虹吸效应明显增强，液柱的最大高度增加，而且虹吸效应的时间延长到9s。当微米铜颗粒的质量分数达到4%时，悬浮液变得灰暗粗糙。虹吸实验表明，该悬浮液具有较强的黏弹性。液柱附近的液态金属被吸走后，表面形成一个凹坑，且长时间（＞10 min）后不会恢复平滑。

在聚合物流体的无管虹吸液柱建立时，管口与自由液面之间的流体重力由垂直方向的法向应力σzz所支撑。该应力是由流动方向上的速度梯度所导致的，即σzz=ηedU/dz，ηe为流体的拉伸黏度。聚合物溶液的拉伸黏度是由分子链在流动方向上的取向和延伸所致［25］。液态金属在空气中极易氧化，在表面形成一层厚度在纳米量级的半固态氧化膜，该氧化膜具有较大的黏弹性。在液态金属流体的虹吸实验中，随着虹吸管的拉伸，表面氧化膜形成了一个柔性管道，液态金属在泵的抽吸作用下继续向管道流动。当液柱高度过大时，氧化膜中应力过大发生断裂，虹吸流动随之停止。

图6.26　内径3mm管道中20 mL/min流速下液态金属的无管虹吸效应［25］

a.纯镓铟合金；b.颗粒质量分数2%的金属流体；c.颗粒质量分数4%的金属流体。