金属液滴的温度调控特性优化

不同体积、不同组分液态金属的升降温规律在大量的热学应用中有重要意义，这里仅以最为常见的常温液态金属镓为例予以介绍［1］。镓液滴典型的升降温测量曲线如图8.1所示。可以看出，升、降温曲线具有明显不同的特点。在降温曲线上会出现一个脉冲，镓在低于熔点（29.8℃）的某个温度Ts开始凝固，随后温度迅速跳跃至Th（接近熔点Tm），曲线在Th附近保持短暂时间（即出现一个平台），之后又迅速降低，表明已完成凝固，然后液滴以与温度跳变前几乎相同的速率继续降温。升温过程中，曲线在熔点附近出现一个较宽的平台，表明在此区间镓处于由固态向液态的相变过程。

图8.1　典型的镓液滴（质量为79.6 mg）的升降温曲线［1］

在多次重复测量中，可以发现升温曲线呈现相似的规律，平台总是出现在熔点附近，但降温曲线差别较大。图8.2画出了不同质量镓液滴的降温曲线［1］，可以看出如下规律：

（1）对于同一质量的镓液滴来说，降温曲线跳变的平台高度ΔTH（=Th-Ts）越大，平台宽度就越小，反之亦然；

（2）镓液滴质量越大，平台越宽。

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图8.2　质量分别为25.23 mg、79.6 mg和188.66 mg的镓液滴的降温曲线［1］

一般来说，出现平台时温度Th的值并不总在镓液滴熔点Tm附近，当把液滴放置于表面光滑的基底上进行测量时，降温曲线出现平台时的温度Th也较小，图8.3给出了将镓液滴分别放置于载玻片上和硅油中时的降温曲线［1］。

图8.3　平台温度Th较小的降温曲线［1］

a.镓液滴（57.17 mg）放置于载玻片基底上的降温曲线；b.镓液滴（58.43 mg）放置于硅油中的降温曲线。

以上研究表明，镓液滴在降温时会出现液体过冷现象，即使温度低于熔点液滴也不会立即凝固；而在升温过程中，则没有观察到液体过热现象，体现出升降温曲线的不同。另外，降温曲线上的平台宽度远小于升温曲线，显示出凝固时间远小于熔化时间。此类问题对于极端低温环境下的应用十分关键［2］。