熊亞選，張 慧，吳玉庭，丁玉龍

（1北京建筑大學(xué)供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；3英國(guó)伯明翰大學(xué)化工學(xué)院，伯明翰 B15 2TT）

熔鹽作為一種具有優(yōu)良傳熱性能的介質(zhì)，在太陽能光熱領(lǐng)域、“谷電”儲(chǔ)熱領(lǐng)域、工業(yè)高溫間歇性余熱回收領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。熔融鹽密度和表面張力的大小直接決定著其傳熱性能的好壞。確定熔融鹽的密度和表面張力對(duì)傳熱儲(chǔ)熱工質(zhì)的優(yōu)選具有極其重要的意義。

針對(duì)熔融鹽的密度和表面張力，已經(jīng)有許多的學(xué)者進(jìn)行了研究。A?И?別略耶夫等[1]對(duì)大量的熔融鹽的密度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并且給出了與溫度之間的擬合關(guān)系式。Li 等[2]利用阿基米德法測(cè)量了LiNO3-NaNO3-KNO3-NaNO2-KNO2共晶鹽，液態(tài)時(shí)不同溫度下的密度，得到溫度和密度之間的擬合關(guān)系式，并且給出了預(yù)測(cè)混合共晶鹽密度的模型。Wu 等[3]在solar salt 中加入了多壁碳納米管，并利用阿基米德法對(duì)其密度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基鹽中加入多壁碳納米管后密度變化不大。Zou等[4]在Hitec 鹽中加入硝酸鈣后利用阿基米德法對(duì)其密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明，其密度隨溫度呈線性變化，且熔融鹽的密度隨溫度的升高而降低。Xiong 等[5]制備出了6 種不同組成比的四元溴化鹽，并且通過阿基米德法和拉筒法對(duì)其進(jìn)行密度和表面張力的測(cè)量，結(jié)果表明，密度和表面張力均隨溫度呈線性變化。Hong 等[6]對(duì)K2O-NbO5熔融體系的表面張力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，增加K2O的比例熔融鹽體系的表面張力會(huì)減小。Kubíková等[7]利用最大氣泡壓力法對(duì)LiCl-NaCl-ZnCl2熔融鹽體系的表面張力進(jìn)行了測(cè)量，并得到了熔融鹽表面張力隨溫度變化的擬合關(guān)系式。這些研究人員對(duì)熔融鹽的密度和表面張力進(jìn)行了測(cè)量，都為今后優(yōu)選出具備良好傳熱儲(chǔ)熱性能的介質(zhì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

文獻(xiàn)綜述表明，近年來許多的研究人員對(duì)熔融鹽的密度和表面張力進(jìn)行研究，但是單一組分和多組分熔融鹽作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)還存在熔點(diǎn)偏高、工作溫度范圍較窄、儲(chǔ)熱成本偏高等缺點(diǎn)。solar salt作為應(yīng)用最為廣泛的熔融鹽之一，在其中加入SiO2納米顆粒后比熱容最大提高28.9%[8]。而在solar salt中加入SiO2納米顆粒后，其密度和表面張力卻未見有公開發(fā)表的文章。本文通過阿基米德法和拉筒法對(duì)高溫熔融法制備的納米熔鹽復(fù)合材料進(jìn)行密度和表面張力的測(cè)量。最終得到密度和表面張力隨溫度變化的擬合關(guān)系式，為優(yōu)選出適合于傳熱儲(chǔ)熱性能的介質(zhì)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)對(duì)高溫熔融法制備的納米熔鹽的機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 納米熔鹽的制備

本實(shí)驗(yàn)所用材料為NaNO3、KNO3和30 nm 的SiO2納米顆粒。所有實(shí)驗(yàn)材料在制備納米熔鹽之前均需要經(jīng)過干燥處理。使用型號(hào)為Mettler Toledo ME104，精度為0.1 mg 的電子天平對(duì)干燥后的熔融鹽和納米顆粒進(jìn)行稱量。見表1，按照比例將基鹽及納米顆粒進(jìn)行稱量后，利用高溫熔融法將SiO2納米顆粒均勻分散至基鹽中，將制備好的納米熔鹽樣品放入干燥箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 基鹽及納米熔鹽的組成Table 1 Composition of base salt and molten salt nanofluids

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.1 Configuration of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由測(cè)量系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。測(cè)量系統(tǒng)由高精度電子天平(型號(hào)為METTLER TOLEDO ME104，精度為0.1 mg)、數(shù)據(jù)采集器(型號(hào)為key sight 34872A)、熱電偶(K 型)、探頭組成；加熱系統(tǒng)由電加熱爐和坩堝組成；控制系統(tǒng)由電壓調(diào)整器(型號(hào)為T6-1-4-060DC)、智俊軟件組成；支撐系統(tǒng)由升降臺(tái)、鋼架、玻璃板組成。

1.2.1 密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)

密度是一個(gè)重要的物性參數(shù)，尤其對(duì)于用作傳熱蓄熱工質(zhì)的熔融鹽。熔融鹽的密度大時(shí)，能夠減少傳熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的占地面積，有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。在眾多密度測(cè)量的方法中，阿基米德法以其操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，更加適合于測(cè)量高溫下液體的密度。

對(duì)納米熔鹽的密度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要耐高溫的密度探頭，因此選用316 L 不銹鋼制成如圖1(b)所示的密度探頭。先將密度探頭用鉑金絲懸掛在電子天平底部，稱量得到其質(zhì)量為m1，后使探頭完全浸入液體中，待探頭保持穩(wěn)定且電子天平達(dá)到平衡后，得到電子天平讀數(shù)m2，由式(1)計(jì)算可得液體密度。

式中，m1為懸掛于電子天平底部密度探頭的質(zhì)量，g；m2為密度探頭浸入到待測(cè)液體內(nèi)電子天平的數(shù)值，g；g為重力加速度，取9.81 m/s2；V為探頭的體積，m3。

1.2.2 表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表面張力是一個(gè)重要的物性參數(shù)，是物質(zhì)傳熱性能好壞的決定因素之一。表面張力與液相傳輸系數(shù)N成正比，增大熔融鹽的表面張力能夠有效提高其傳熱效率。拉筒法以其操作簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，更加適用于測(cè)量高溫下液體的表面張力。

在使用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)納米熔鹽的表面張力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要選擇耐高溫的拉筒，拉筒示意圖如圖1(c)所示。表面張力由式(2)計(jì)算可得。

式中，R為拉筒底環(huán)平均半徑，m；m1為拉筒脫離熔鹽液面時(shí)電子天平的最大讀數(shù)，g；m0為拉筒質(zhì)量，g；g為重力加速度，取9.81 m/s2；C為儀器系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

為了減少熔融鹽內(nèi)部自然對(duì)流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，密度及表面張力實(shí)驗(yàn)均在降溫的過程中進(jìn)行測(cè)量。熔融鹽冷卻速率小于2 K/min。

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證

2.1.1 密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證

采用阿基米德法測(cè)量納米熔鹽液體密度時(shí)，采用已知體積的316 L不銹鋼重錘作為密度探頭，在測(cè)量納米熔鹽的密度之前，先用已知密度的液體對(duì)密度探頭進(jìn)行標(biāo)定，可由式(3)對(duì)密度探頭的體積進(jìn)行計(jì)算。

本實(shí)驗(yàn)采用去離子水作為已知液體，由式(3)得到重錘的體積為2.4388 cm3。對(duì)重錘體積進(jìn)行標(biāo)定后，通過對(duì)KNO3、NaNO3的密度進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度，兩種熔融鹽的密度測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中的密度進(jìn)行比較。

圖2 密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證Fig.2 Accuracy verification of experimental stand

密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證如圖2所示。密度實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得NaNO3、KNO3的密度與參考文獻(xiàn)[1]上給出的密度值變化趨于一致，并且最大偏差值低于0.12%，考慮到文獻(xiàn)值存在的誤差，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的密度測(cè)量精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.1.2 表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證

采用拉筒法測(cè)量納米熔鹽液體表面張力前，可通過測(cè)量已知液體的表面張力，通過式(4)對(duì)表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)的儀器系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

本實(shí)驗(yàn)先對(duì)NaNO3的表面張力進(jìn)行測(cè)量，得到儀器系數(shù)C。由式(4)可知，儀器系數(shù)C與溫度無關(guān)，對(duì)NaNO3在5個(gè)溫度工況點(diǎn)下的表面張力進(jìn)行測(cè)量，并且每個(gè)溫度工況點(diǎn)采集3 次測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過最終的計(jì)算得到本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的儀器系數(shù)C=0.00053。對(duì)KNO3和solar salt 的表面張力進(jìn)行測(cè)量后，與文獻(xiàn)值[1,9]進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3表明本實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)熔融鹽的表面張力測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)值隨溫度變化的趨勢(shì)趨于一致，最大偏差值低于4.0%，考慮到文獻(xiàn)值存在的誤差，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的表面張力測(cè)量精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖3 表面張力實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度驗(yàn)證Fig.3 Accuracy verification of surface tension test bench

2.2 納米熔鹽密度分析

研究表明，在solar salt 中加入SiO2納米顆粒后，熔點(diǎn)會(huì)有一定程度的下降，分解溫度會(huì)有一定程度的提高[10]。并且solar salt 的熔點(diǎn)為218.2 ℃，所以當(dāng)熔鹽加熱到250 ℃時(shí)，已經(jīng)完全熔化；當(dāng)熔鹽溫度超過600 ℃時(shí)，熔鹽會(huì)開始分解。溫度較高和溫度較低都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此基鹽及納米熔鹽密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定范圍為260～500 ℃。

利用阿基米德法對(duì)基鹽及5種加入30 nm SiO2納米顆粒的納米熔鹽的密度進(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2。樣品的密度隨溫度變化如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度測(cè)量范圍內(nèi)，基鹽的密度在1.7720～1.9389 g/cm3，密度隨溫度的升高呈直線下降趨勢(shì)。1#納米熔鹽的密度在1.7722～1.9405 g/cm3，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，擬合系數(shù)在0.9994 以上，擬合程度較好。2#納米熔鹽的密度在1.7720～1.9356 g/cm3，密度隨溫度變化的趨勢(shì)和基鹽及一般熔鹽密度的變化趨勢(shì)保持一致，均隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)。3#和4#納米熔鹽的密度在1.7721～1.9404 g/cm3和1.7749～1.9352 g/cm3之間，擬合系數(shù)都在0.9995 以上，其中4#納米熔鹽的擬合系數(shù)最大，擬合程度最好。5#納米熔鹽的密度在1.7758～1.9384 g/cm3之間，隨溫度升高呈下降趨勢(shì)。

表2 密度擬合公式的參數(shù)Table 2 Parameters of density fitting formula

圖4 樣品密度隨溫度的變化Fig.4 Variation of sample density with temperature

圖5 樣品密度隨納米顆粒濃度的變化Fig.5 Variation of sample density with nanoparticle concentration

如圖4所示，基鹽及納米熔鹽的密度均隨溫度的升高呈直線下降趨勢(shì)，且5種納米熔鹽的密度與基鹽的密度基本保持一致。如圖5所示，在不同溫度工況點(diǎn)下，5 種納米熔鹽的密度和基鹽的密度均處在同一水平線上，即同一溫度工況點(diǎn)下，納米熔鹽和基鹽的密度保持一致。由于SiO2納米顆粒的密度為2.20 g/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SiO2納米顆粒對(duì)solar salt的密度影響可忽略不計(jì)。

根據(jù)混合物密度計(jì)算公式[11]對(duì)納米熔鹽的密度進(jìn)行計(jì)算后，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的密度進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。圖6中，1#納米熔鹽密度的測(cè)量值與計(jì)算值的最大偏差與最小偏差分別為0.104%和0.008%；2#納米熔鹽密度的測(cè)量值與計(jì)算值的最大偏差為0.327%，最小偏差為0.074%；3#納米熔鹽密度的測(cè)量值與計(jì)算值的最大偏差為0.350%，最小偏差為0.007%；4#納米熔鹽密度的測(cè)量值與計(jì)算值的最大偏差為0.291%，最小偏差為0.007%；5#納米熔鹽密度的測(cè)量值與計(jì)算值的最大偏差為0.302%，最小偏差為0.030%。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，采用阿基米德法測(cè)量的密度值與采用混合物密度計(jì)算公式計(jì)算的密度值相差較小，可認(rèn)為在solar salt中加入SiO2納米顆粒后，熔融鹽的密度不會(huì)發(fā)生改變。

圖6 納米熔鹽密度測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Comparison between measured and calculated values of density of molten salt nanofluid

文獻(xiàn)[12]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，熔融鹽和納米顆粒在熔鹽體系中會(huì)形成一種納米云核。納米云核中納米顆粒被大量的熔融鹽包裹，此時(shí)SiO2納米顆粒的密度對(duì)納米云核的密度影響可以忽略不計(jì)，納米云核的密度始終與基鹽的密度保持一致。

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30 nm 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。

表3 表面張力擬合公式的參數(shù)Table 3 Parameters of surface tension fitting formula

樣品的表面張力值隨溫度變化如圖7所示。可以看到，在250～480 ℃內(nèi)，基鹽的表面張力在0.1044～0.1188 N/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0.1059～0.1219 N/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0.1117～0.1301 N/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0.1115～0.1305 N/m，擬合系數(shù)為0.991。

圖7 樣品表面張力隨溫度的變化Fig.7 Variation of sample surface tension with temperature

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)[12]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 樣品表面張力隨納米顆粒濃度的變化Fig.8 Variation of sample surface tension with nanoparticle concentration

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[13-14]。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[15-17]，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—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。

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2.20 g/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)作用力，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。

圖9 納米熔鹽的形成機(jī)理Fig.9 Formation mechanism of molten salt nanofluid

3 結(jié)論

利用高溫熔融法，將30 nm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30 nm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。