高温熔体粘度及其测量技术的研究进展.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：483494Materials Research and ApplicationEmail：http：/高温熔体粘度及其测量技术的研究进展龙耀1,于哲峰1,王昕2,钱伟强2,李洁2（1.中国空气动力研究与发展中心超高速所，四川 绵阳 621000；2.电子科技大学电子科学与工程学院，四川 成都 611731）摘要：高温熔体粘度研究在玻璃生产、陶瓷制造和合金合成等领域中的意义重大。粘度是熔体重要的物理化学性质之一，可反映熔体内部的流体摩擦力。高温粘度计按其测量原理，主要分为毛细管式、旋转式、落体式和振动式等。高温粘度受多种因素的影响，其中以温度和化学成分为主，温度影响熔体内部的分子间作用力，化学成分的改变影响熔体内部的化学组织结构。近年来，科研人员对粘度与温度、化学成分之间的关系开展了较多研究工作。从粘度基本概念、高温粘度测量技术和高温熔体粘度的影响因素 3个方面，综述高温熔体的研究进展，并提出其发展方向。关键词：高温粘度；测量技术；熔体；流体摩擦力中图分类号：TB836文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0483-12引文格式：龙耀，于哲峰，王昕，等.高温熔体粘度及其测量技术的研究进展 J.材料研究与应用，2023，17（3）：483-494.LONG Yao，YU Zhefeng，WANG Xin，et al.Research Progress of High Temperature Melt Viscosity and Its Measurement Technology J.Materials Research and Application，2023，17（3）：483-494.粘度是高温熔体的重要基础物理性能之一，是其内部摩擦现象的一种表示，直接影响物质传递效率与渣金分离效果。在高温下处理熔体是包括玻璃和金属，或渣金分离等众多产品工业制造的基础，除温度的影响因素外，材料的熔体粘度还受其化学成分和环境条件（如气氛）的显著影响。高温粘度在冶金、材料、化工等领域中皆有应用，具有重要的研究意义。在玻璃的生产过程中，从熔制、澄清、均化、成形、加工、直到退火都与粘度密切相关。如以熔制过程为例，石英颗粒的溶解、气泡的排除及各组分的扩散都与粘度有关，在工业生产中加入少量助溶剂可降低熔制玻璃的粘度以达到澄清、均化的目的1。玻璃的粘度与温度成反比，当其被加热时粘度下降、更容易流动，一般在 7001 600 之间测量玻璃粘度。对合金来说，合金熔体的粘度不仅能为冶金生产提供必要的参数，而且也有助于揭示合金熔体微观结构的内在规律。如在冶炼过程中，合金熔体的粘度为冶金反应创造必要的动力学条件；在铸造过程中，合金粘度不仅对充型能力有影响，而且对合金熔体内部的传质和传热也有影响2。金属熔体粘度反应了金属熔体中原子迁移能力的大小，宏观反映了其内部微观结构的变化，有助于揭示液态金属结构变化及原子间相互作用3。对于模具的工业加工，粘度是决定工艺经济性和产品质量的重要参数。熔体在高温下的粘度对能量转换过程的效率、安全性和可靠性至关重要。传统的燃煤发电厂和气化炉在将固体燃料转化为合成气时，炉渣和炉灰必沿炉壁流出锅炉。而在新兴的发电技术如新一代太阳能和核电站中，熔融金属和盐被用于冷却和传热，除了其他热物理性质，100700 足够低的粘度是传热材料成功应用的先决条件。本文主要阐述了高温下粘度测量技术和影响因素的研究进展，介绍了粘度的基本概念及体系分类，其次针对不同测量原理对高温粘度计的研制情况进行介绍，并且对高温熔体粘度影响因素进行了讨论，最后对高温熔体测量技术进行了总结和展望。1粘度基本概念及体系分类1.1粘度粘度是液体的重要物理性质之一，表现为液体在运动时各层间出现的摩擦力，描述了液体运动时剪切速率与剪切应力之间的关系。两液体层以不同速率做统一运动，为保持其速率差，其粘度正比于单位面积所受力 F，即FAdvdz 或 =dvdz。其中，A收稿日期：2022-09-20作者简介：龙耀，硕士，工程师，研究方向为测试技术，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.000310材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期为两液体层接触面积、dv为速率差、dz为垂直于液面方向两流体层间距离、为剪切应力、为液体粘度系数。粘度的表示方法大致可分为两类：由粘度定义出发推导测得的粘度，称为绝对粘度，如动力粘度、运动粘度；有前提条件并与已知粘度液体比较测得的粘度，称为相对粘度或条件粘度，如恩氏粘度等4。根据测定方法，粘度一般分为 3种，即动力粘度、运动粘度和恩氏粘度。1.2牛顿流体和非牛顿流体常见的理想粘性行为呈牛顿特性，在牛顿力学中粘度系数与他所受的剪切速率无关，因此牛顿流体的剪切应力和剪切速率呈现线性关系。任何偏离这种线性的现象都属于非牛顿流体的行为，均可以归类为几种已知的非牛顿流体类型之一（见图 1）。从图 1可见：粘度随着剪切速率的增加而降低，这种现象被称为伪塑性或剪切减薄行为；而粘度随剪切速率增加而增加的现象，常在膨胀性或剪切增稠的材料中可观察到；在宾汉塑性体中，启动流动需要一个有限的剪应力，也称为屈服应力，其曲线不通过原点，在零剪切速率下不可微分。除此之外，还有触变材料或流变材料。对于触变材料，粘度随剪切时间的延长而降低；流变液体则表现出与触变液体相反的行为，即粘度随剪切时间的延长而增加。大多数简单液体都满足牛顿特性。单一相硅酸盐熔体在高温下表现为牛顿液体，但在玻璃态（即在较低温度下），其行为在较高的剪切速率下不满足牛顿特性5。2高温熔体粘度测试技术研究进展粘度计（Viscosimeter）是用于测量流体（液体和气体）粘度的仪器。高温粘度计的测量温度一般在 5002 300 之间，粘度测量范围一般为 101108 dPa s（10 dPa s=1 Pa s，dPa s 常用于高粘度表示），其应用范围非常广，可用来鉴定某些成品或半成品的质量，各个领域根据其自身产品特点都会进行改良和设计。常见的高温粘度测量方法有毛细管法、旋转法、落球法和振荡法等6-8。2.1毛细管法毛细管式粘度计属于运动粘度测量仪，由样品通过一定规格的毛细管所需的时间求得样品的粘度，常用来测定低粘度液体及高分子物质的粘度，有着测量精度高、测量范围广的特点。毛细管式粘度计测量原理基于泊肃叶定律9。假设液体在外力作用下在细管中做匀速运动（见图 2），其粘度可通过公式=R4P8QL=R4Pt8VL进行计算。其中，为流体粘度、R为毛细管半径、P为细管两端压强差、Q为通过流体流量、V为时间t内流过的流体体积、L为毛细管长度。上式就是理想情况下的泊肃叶（Poiseuille）方程，根据实际情况需进行修正，得到=R4ght8V(L+nR)-mV8(L+nR)t。其中，m为动能修正系数、n为末端修正系数（受微尺度、粘性分层及波形壁等影响，大小在 01.2 之间）、为流体密度。传统毛细管式粘度计一次试验一般只能测量一种样品，且难以做到在线测量和在线监测。而在冶金生产过程中，效率是非常看重的。周旺枝10等设计了一种高温下测定冶金材料粘度的粘度计，结构组成有箱体、支架、试样罐和温控装置，其中：支架设在箱体内，通过转轴连在箱体侧壁，上有数个均匀隔图 1流体中与时间无关的粘性流动行为类型5Figure 1Types of time independent viscous flow behavior in fluids5图 2液体运动示意图Figure 2Schematic diagram of liquid movement484龙耀等：高温熔体粘度及其测量技术的研究进展开的安装孔；在试样罐底部安装一滴管，其穿过安装孔连接在支架上；集液槽设在箱体底部，一侧壁下部设有进气管，另一侧壁上部设有排气管；温控装置由加热装置、温度测量装置和温度控制装置组成，其中加热装置和温度测量装置安装在箱体内壁，温度控制装置安装在箱体外部，三者相连。该粘度计每次可同时测定 2 种以上试样，设有的摄像监控装置可进行实时观测，能直观并快速记录材料粘度、重复性好、操作简单、成本低廉，测量温度可至 1 780。图 3为一种基于毛细管法的高温粘度测量装置示意图10。其中图 3（a）为试样罐水平加料的示意图，图 3（b）为试样罐垂直测定的示意图。蒋海华11设计出一种全自动高温高剪切粘度测定仪。壳体的内腔左侧设置有加热炉腔，加热炉腔的内腔设置有毛细管，其内腔右侧顶部和底部均设置有温度传感器；壳体的内腔右侧设置有控气箱，控气箱的内腔插接有电磁阀装配架，其顶部右侧设置有进气管，且进气管与电磁阀装配架连接；壳体的底部设置有存储柜，存储柜的内腔设置有储气罐。该粘度计通过加热炉腔、毛细管、温度传感器、电磁阀装配架、进气管、储气罐、压力传感器和控制线路板的设置，可以自动实现长时间恒温恒压控制，漏气保护，精度高，提高了设备的安全性，可逐步取代进口产品进行作业。（a）试样罐水平加料的示意图；（b）试样罐垂直测定的示意图。（a）schematic diagram of horizontal charging of sample tank；（b）schematic diagram of vertical measurement of sample tank.图 3一种基于毛细管法的高温粘度测量装置示意图10Figure 3Schematic diagram of a high temperature viscosity measurement device based on capillary method（a）结构示意图；（b）左视图；（c）俯视图。（a）structural diagram；（b）left view；（c）top view.图 4高温高剪切粘度测定仪11Figure 4High temperature and high shear viscometer485材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.2落体法落体法粘度计属于运动粘度测量仪，一般在测量不透明液体的粘度时，需要用到的特定感应装置。通常落体法测量的是密度比较大的液体，同时被测液体是牛顿流体，并且测量之前需要测量该液体的密度，所以该方法并不适用于在线液体粘度的测量16。以落球式粘度仪为例，其测量原理基于斯托克 斯定律17。物体在流体中落下，越是粘度高的流 体物体在落下时越慢，因此从落下速度可比较流体粘度的大小。经计算推导，落球式粘度公式为=d2(0-)gt18L1-2.104dD+2.09(dD)3-0.95(dD)5，式中d为球直径、0为球的密度、为流体的密度、L为球体运动行程中的测量距离、t为球体经过L所需的时间、D为圆筒直径。对一般的粘度计，D、d、L为定值，则=(0-)t。其中，K 为 常 数，=d2g18L1-2.104dD+2.09(dD)3-0.95(dD)5。在实际应用中，首先用标准粘度液标定出K值，然后再测定待测液体的粘度。一般来说，落球粘度计会配有一套不同直径和密度的小球，供不同的测粘范围选用。小球直径越大或密度越大，其适用的测粘上限越高。贺文媛等18设计了一种适用于高温高压环境的落球式粘度计，结构组成由高压计量泵、配样器和落球粘度计依次连接，配样器入口通过第一高压管线与高压计量泵出口相连，出口通过第二高压管线与粘度计入口相连，设有一个三通阀门及一个微量高压计量泵，阀门口分别为入口、出口、测量口，其中入口与粘度计出口相连，测量口与微量高压计量泵相连，第二高压管线为带可调温控伴热带的高压管线，其结构示意图如图 5所示。该粘度计能够克服现有装置的缺陷，较好适用于落球法测定的原油粘度。2.3振荡法振荡法粘度计属于动力粘度测量仪。常用于测量低粘度的液体，可在较高温度下测量金属及合金的粘度，但其只适用于少量的样品测量，不适用于在线粘度的测量。振动法测量包含扭摆振动式、振动片式、振动丝式等19-20。被普遍运用的是扭摆振动法测量，其分为衰减振动式和强制振动式。扭转振动法21可以振动杯粘度仪为例，一个装有液体的圆柱形杯子围绕其垂直轴进行扭转振动，由于液体中的摩擦能量被吸收和耗散，导致振动受到阻碍，杯子的运动由二阶微分方程描述，即I=(d2dt2)+L(ddt)+D()=0。式中，I是振荡系统的惯性矩、是扭转角度、t是绝对时间、D是扭丝的图 5高温高压落球粘度计量装置结构示意图18Figure 5Structural diagram of high temperature and high pressure falling ball viscosity meter 486龙耀等：高温熔体粘度及其测量技术的研究进展力常数、L是关于液体样品的密度和粘度及杯子内径和杯子中液体高度的函数。求解液体运动可通过Navier-Stokes 方 程 得 到，即v t+v v=g-p+v。式中，是流体密度、p是流体压力、v 是速度矢量、g为重力加速度、为动力粘度。N-S 方程反映了粘性流体流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。N-S 方程是一个非线性偏微分方程，求解非常困难，只有在理想情 况 下 或 简 单 的 流 动 问 题 上 才 能 精 确 求 解。Knappworst、Shvidkovskiy和 Roscoe22-23相继提出了不同振荡杯粘度计的求解模型及算式，他们的测量方法都含有校正因子，以减小仪器本身和测量过程中引入的误差。后来，Kestin、Newell和Beckwith24-25提出了完全解析的粘度测量方法，通过测量衰减参数求解粘度，不含有校正因子，以减小计算误差。于是，针对不同使用场景，会选用不同模型来设计粘度计。时 迎 亮26设 计 了 一 款 振 动 杯 粘 度 仪，采 用Shvidkovskiy 求解模型。由上位机系统和下位系统 组成，其中下位机系统是粘度仪的硬件部分，上位机系统是粘度仪软件部分。在测量方法上，采用了衰减振荡杯法的运动模态，给出了粘度求解的解 析 方 法 详 细 推 导 过 程 和 含 有 校 正 因 子 的Shvidkovskiy 粘度计算法。Shvidkovskiy 方程=1I2()-TT002()MR2T2，其中=1-32-382-a+(b-c)RH。式中，=/2，为样品密度，I为转动惯量，T及分别为盛有样品时振荡系统的平均周期和对数衰减率，T0及0分别为空杯振荡的平均周期和对数衰减率，M为样品质量，R为振荡杯的半径，H为振荡杯中样品的高度，a、b、c均为系统常数。在不改变粘度仪硬件的基础上实现了高粘度大范围的测量，测量精度高、可靠性和重复性好，可实现工业环境下的实时、全自动在线检测，最大限度的满足了生产的需求。但该粘度计算法的误差不小，后续可继续改进，其中电机控制、粘度仪界面仍需改善。该粘度仪的机械结构如图 6所示。图 6粘度仪部分机械结构图26Figure 6Mechanical structure of viscometer part487材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期M.Kehr 等21设计了一种适用于 2 300 以下温度的新型振荡杯粘度计，采用 Roscoe 求解模型，Roscoe 粘 度 计 算 法=(IR3HZ)21T，其 中Z=(1+R4H)a0-(32+4RH)1p+(38+9R4H)a22p2、p=(T)12R、a0=1-32-382、a2=1+12+182、=2，其中为对数衰减、R为杯的内半径、T为振荡周期、为样品的密度、H为样品在杯中的高度。该粘度计带有石墨加热器的真空炉用于加热样品，而通过热电偶和高温计测量熔炉和样品的温度（温度控制在 1 K 误差内），使用位置敏感检测器用反射激光束测量杯子的振动，然后将角度和时间的测量值拟合到解析振荡函数中。该粘度计温度场均匀性好，采用全自动测量系统，误差小。但其所容纳样品体积小，仍需改良。同时，需寻找适合广谱样品和温度高于 1 500、半径误差小于 0.5%的杯子。图 7为粘度计结构示意图。2.4旋转法旋转粘度计属于动力粘度测量仪，其特有的测量方式在所有的测量液体粘度的方法中适用范围最广。当物体浸入到流体中做转动时带动流体转动，先转动的流层带动未转动的流层，未转动的流层拖慢先转动的流层，期间产生的力被称为内摩擦力，也被称为粘滞力12-13。以同轴圆筒式粘度计为例，假设在半径为R1的外筒里同轴的安装了半径为R2的内筒，在其中充满粘性流体，其结构示意图如图 8所示。计 算 推 导 得 出 粘 度 公 式 为=M4h(1R22-1R21)，其中为内筒旋转角速度、R2为粘性力矩、h为筒的高度。当R1 R2时，公式就转化为单圆筒式 的 粘 度 计 算 公 式=M4hR22。转 子 选 定 后，M ，在一定的转速下，M与被测液体的粘度成正比，藉此原理可以测定液体的粘度。旋转式粘度计，起源于美国 Brookfield 公司，在工业领域的运用前景广泛14。市场中大部分旋转式粘度计都只能在常温下工作，效率低下且功能单一，无法满足工业化量产的要求。周昊15等设计出一种可在线监测和测量熔体粘度的高温粘度计，结构组成有加热系统、监测系统和测量系统。加热系统主体为加热炉膛，其内部有坩埚及加热元件，顶部设有用来进出口气体的炉门盖板；监测系统可用来记录炉膛中样品加热过程中的形态变化，由 CCD 相机及与相机放大镜相连的光杆组成；测量系统用来图 7粘度计示意图21Figure 7schematic diagram of viscometer图 8结构示意图Figure 8Structural diagram488龙耀等：高温熔体粘度及其测量技术的研究进展测量坩埚内样品粘度，由穿过炉门盖板伸入炉膛内的内筒测头，与测头相连的主轴杆和测量主轴杆所受扭矩的扭矩传感器组成。此粘度计兼具在线测量和监测两大功能，结构简便、便于操作、低成本、较强适用性，可用于科研中深入理解研究高温熔融反应，涉及能源、化工、冶金等多个学科领域。图 9为多功能高温加热装置的结构示意图，其中图 9（a）为兼具在线熔体粘度测量和在线监测的多功能高温加热装置的结构示意图、图 9（b）为在线监测系统结构示意图、图 9（c）为粘度测量系统结构示意图。国外成熟的商业高温粘度计均为旋转粘度计，以奥地利安东帕和美国 TA 仪器公司为主，安东帕公 司 的 高 温 炉 流 变 仪 系 统（Furnace Rheometer Systems）分 为 FRS 1600 型（测 温 范 围 为 3001 600）和 FRS 1800 型（测 温 范 围 为 600 1 800）。为了便于清理和冷却及方便样品装载，炉体分为加热位置、测量位置和参考位置（见图10）。根据被测样品的粘度范围，可以使用不同尺寸和材料的同心圆筒坩埚，标准圆筒坩埚是 30 mm 直径的圆筒与 11、15 和 19 mm 直径的转子结合，用于（a）兼具在线熔体粘度测量和在线监测的多功能高温加热装置的结构示意图；（b）在线监测系统结构示意图；（c）粘度测量系统结构示意图。（a）structural diagram of multifunctional high temperature heating device with on-line melt viscosity measurement and on-line monitoring；（b）structural diagram of online monitoring system；（c）structural diagram of viscosity measurement system.图 9多功能高温加热装置的结构示意图15Figure 9Structure diagram of multi-functional high temperature heating device with both online melt viscosity measurement and online monitoring图 10安东帕公司的高温粘度计示意图37Figure 10Schematic diagram of Antonpas high temperature viscometer489材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期测量高粘性样品，如玻璃熔体、熔岩和玄武岩。对于低粘度样品，推荐使用直径为 19、25 和 27.6 mm 的转子。此外，高表面张力的高温熔体（金属溶液）需采用异形转子，可以选择氧化铝（Al2O3）、石墨（碳）、钼和铂铑合金（Pt90Rh10）作为熔体圆筒坩埚和转子的标准材料37。粘度随着温度的降低而增加，粘度-温度曲线中的粘度急剧变化通常用来表示凝固过程。图 11给出了金属熔体的典型温度扫描曲线。在高于液相线的温度，钛合金的粘度几乎与温度无关。一旦达到液相线温度，粘度急剧增加。这种情况的发生 通 常 是 由 于 结 晶 的 开 始，在 熔 体 内 析 出 固 体成分38。TA 仪 器 公 司 的 高 温 粘 度 计 型 号 为 VIS 413（最高测量温度为 1 550）和 VIS 413HT（最高温度为 1 750），其示意图如图 12所示。样品坩埚由弹簧-陶瓷夹具固定住，样品坩埚和转子可提供氧化铝陶瓷和铂合金材料供选择，转子直径为 12 和16 mm。TA采用一个专用的无摩擦/磨损无刷电机作为 VIS 413 粘度计传感器的核心技术，且与数字光学相结合编码器，实现了最精确的转速测量和控制。VIS 413 可以自动清洗粘度计的传感器，防止挥发性样品测试时的污染，并且在 CO/CO2和 H2/N2等 还 原 环 境 中 进 行 测 量，以 提 供 绝 对 无 氧 的环境39。3高温熔体粘度影响因素研究进展高温熔体粘度受诸多因素影响，如温度、成分、压力等，其中温度和化学成分影响最大，化学成分的改变对应着熔体组织结构的改变。3.1粘度与温度的关系温度对流体的粘度影响最大，流体的粘性来自分子引力，温度升高，分子间距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，所以粘度减小。通常流体的粘度越大，则粘度随温度变化越大27。图 13为粘度与温度关系图。图11钛合金的温度-粘度曲线（样品冷却速度为 2 min1，曲线采用安东帕高温粘度计）38Figure 11Temperature-viscosity curve of titanium alloy（the cooling rate of sample is 2 min1，and the curve is based on Antonpa high temperature viscometer）（a）样品装载状态；（b）样品测量状态。（a）sample loading state；（b）sample measurement state.图 12TA仪器公司的高温粘度计39Figure 12TA Instruments high temperature viscometer图 13粘度与温度关系图Figure 13Relationship between viscosity and temperature490龙耀等：高温熔体粘度及其测量技术的研究进展对于一系列不同化学性质的流体，其粘度与温度 关 系 可 用 Arrhenius 方 程(T)=Aexp(BT)表示28，其中和T是流体的粘度和此时的温度、A和B是与系统化学组成相关的常数（在某些情况下与温度有关）29、B与流体活化能Ea成正比。随着人们对熔体粘度研究的深入，该方程的适用性面临挑战，而在实际的粘度测量中已经出现熔体粘度与温度关系不符合上式的情况，甚至出现明显偏离。J.Leilei30等研究了 GaSb金属熔体的粘度及液态结构发现，粘度温度曲线由高温区及低温区两部分组成，与 Arrhenius方程不符。在纯金属的粘度测量过程中也发现，粘度与温度曲线出现异常点，粘度值出现突变，不符合 Arrhenius方程的情况。如在纯铝的粘度测量过程中，一般认为熔体结构的改变是导致粘度曲线异常的原因31。3.2粘度与成分的关系Idia等学者定量分析研究过熔体粘度与成分关系，但结果并不理想，至今还未有很好解释两者关系的模型。部分学者从理论出发对两者关系提出猜想。对 于 二 元 合 金 粘 度 与 成 分 关 系，MolewynHoghes 提 出 一 种 猜 想33，公 式 为A=(x11+x22)(1-2x1x2)，式中A为合金的运动粘度、x1和x2为合金中两种成分的摩尔分数、为转换能、1和2分别为两种成分的运动粘度，然而实验结果与理论结果并不一致。在分析 Al-Si合金粘度与成分关系图34发现：粘度值起初随着硅含量增加而降低，经过共晶点后粘度值随着硅含量增加而增高，此外在亚共晶铝硅合金中，加入变质元素Sr 能在不改变合金粘度跳变点温度前提下减小其跳变量，使合金粘度增加；在过共晶硅铝合金中，元素 P能提高其粘度跳变点温度，增加粘度值。目前，粘度和温度、熔体成分的内在关系还未很好地认识，仍需研究探索。Zhang35等开发了一个新的模型来估算相关液态合金的粘度，该模型适用于含缔合物的液态合金，在不额外定义不明确的模型参数情况下可以应用于任何二元或多组分液态合金，以 Mg-Sn 等液态合金为例验证了新模型的性能，表明估算的粘度值与文献中的实验结果相当吻合。图 14为 Mg-Sn体系液态合金在 1 073 K 时的粘度函数，图中数据点为测量值、虚线为模型理论值、灰色区域为模型估计值、短划线为模型和实验数据的拟合值。Song Xigui36等用高温扭振粘度计研究了微量锶和磷对液体亚晶 Al-7%Si和超亚晶 Al-18%Si动力粘度的影响。结果发现，锶会降低熔体的粘度，而磷会增加熔体的粘度。添加量和添加方式都会影响粘度的变化。改性后粘性流动的活化能增强，活化能和摩尔体积的变化表明，改性熔体中发生的微观结构变化是改性的内在根源。共晶 Al-12%Si合金及其改性后的粘度实验值如图 15 所示。Al-12%Si熔体及 Sr、P 改性熔体的特征值列于表 1，其中0为阿伦尼乌斯方程中的指数前因子、L为液相线温度下的粘度、Ea为粘性流动的活化能、TL为液相线温度。图 14Mg-Sn体系液态合金在 1 073 K时的粘度函数35Figure 14Viscosity function of liquid alloy of Mg-Sn system at 1 073 K35图15Al-12%Si合金及其改性后的实验粘度与温度相关性 36 Figure 15Temperature dependence of experimental viscosity491材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期4结语高温熔体粘度的发展有助于研究物质的热物理性质，对于优化熔化、铸造、提取等工艺过程具有重要意义，也是开拓物质应用的基石。研究学者为此对高温熔体粘度进行了大量的研究，根据不同测量原理设计适合其应用的粘度计，不断地改进模型及加入新技术来改良，如传感器技术、计算机技术等，使其更加精确，同时不断向在线测量发展，使其更加智能化和人性化。粘度的影响因素有很多，如提高温度会降低熔体粘度，添加改性元素可改变熔体粘度。大量研究证明，粘度和温度、熔体成分的内在关系还未很好地认识，设计出的理论数据与实验数据总有误差，对实际工作影响重大。除此之外，如：粘度计配备的电机带来的摩擦损耗，会使测量结果不够精确；仪器的密封性会限制其操作环境，导致无法测量易挥发性样品；冷却系统的优良，会限制其测量温度；测量原理的选择，会影响其粘度测量范围。这些问题都是今后研究的重点。随时代发展，常规条件下的粘度数据已不能满足科技工作者对本征科学问题的认识，目前需更高温度（2 300 以上）、气氛可控（不同氧势气氛条件下针对含变价金属氧化物的晶渣体系），以及更大测试范围（粘度，或粘度）的粘度数据，来满足新一代科学技术发展的需要。与国外相比，我国目前成熟稳定的商业超高温粘度计发展缓慢，仍需大家共同努力。参考文献：1 西北轻工业学院.玻璃工艺学 M.北京：中国轻工业出版社，1982.2 曲丹阳.合金熔体粘度检测新方法及装置 D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.3 安阁英.铸件形成理论 M.北京：机械工业出版社，1990.4 陈晓霞，李国祥，李松波.新编物理化学实验：物理化学实验 M.徐州：中国矿业大学出版社，2014.5 RAGHUNATH S.High-temperature viscosity measurements in slags D.Brisbane：University of Queensland，2007.6 杨定中.液体粘度的关联式计算 J.化工设计，1996（1）：40-43.7 姜雪洁，盖同祥.旋转粘度计检测机理分析与改进建 议J.青 岛 建 筑 工 程 学 院 学 报，2002，23（1）：67-69.8 王常珍.冶金物理化学研究方法 M.北京：冶金工业出版社，2013.9 高桂丽，李大勇，石德全.液体粘度测定方法及装置研究 现 状 与 发 展 趋 势 简 述J，化 工 自 动 化 及 仪 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