熔融金屬溶液

兩種或兩種以上的金屬形成的熔體。含有雜質的金屬熔體也可視為熔融金屬溶液。它是冶金熔體之一，常為金屬冶煉過程中的中間產物。從這個意義上講，鋼鐵冶煉中的鐵水也是一種熔融金屬溶液。人們對熔融金屬溶液的研究和認識有一個由淺入深的過程。和其他冶金熔體一樣，對它的研究主要可分為化學性質、物理性質和結構三方面,而對前二者的研究,也在一定程度上有助於結構的闡明。由於精煉過程中需要去除各種雜質，所以熔融金屬溶液的熱化學、熱力學和組分的活度是人們較重視和研究得較多的課題。隨著真空冶金的發展，雜質揮發的動力學也受到了較大的注意。在物理性質方面，對表面張力、粘度、擴散、電遷移等性質都進行了較多的研究。用 X射線衍射研究熔融金屬溶液和非晶態金屬和合金的結構也得到了較大的發展（見液態金屬結構）。

基本介紹

• 中文名：熔融金屬溶液
• 套用領域：工業工程，冶金領域

基本信息

從30年代以來，人們對鐵液中各元素的活度進行了大量測定工作，所用方法包括蒸氣壓、電化學和化學平衡等。利用兩種金屬（例如鐵和銀）在液態的互溶度很小的特點，測定第三組分在二者之間的分配，也可以看作化學平衡法的一種。從40年代開始，人們又逐步開展了熔融有色金屬溶液中的活度測定工作，但直到70年代也還遠不及研究熔融黑色金屬溶液的程度，而有關稀有金屬的工作就更少。

相關研究

X 射線衍射和中子衍射等方法都被用來對液態金屬和合金在不同溫度和組成範圍內進行研究，根據衍射研究結果和其他性質的研究，提出了一些模型，包括類晶結構模型和硬球無規堆積模型等。它們可以分別套用於Ni-Pd-P和Ni3P，Fe-P-C等體系的熔融金屬溶液。另外，非晶態金屬，特別是非晶態矽的研究，由於用它製成的太陽能電池有實用前景而得到了很大進展。非晶態金屬的研究結果也可作為熔融金屬溶液的借鑑。

對液體結構和其他性質的研究本來遠比固體困難，而且由於熔融金屬溶液一般處於較高溫度之下，測定其性質和結構的實驗技術更為不易，因而過去對它的研究較少。但這種情況從50年代以來已有所改變，液態金屬和合金已成為一個重要的科研領域，而且可望迅速發展。例如，對中國來說，稀土元素是富產金屬，它們的套用必將日益發展，因而它們在鋼液中行為的研究已引起中國冶金學家的重視。中國富產的有色和稀有金屬，例如銻、錫、鎵、銦等也將是重要的研究對象。電遷移和擴散在半導體材料特別是砷化鎵等的電外延和液相外延過程中起著重要的作用，對它們的研究有理論和實際意義。可以預料，在研究對象方面，將日益向熔融金屬溶液多樣化發展；在研究內容方面，則將日益深入。

實際套用

在真空冶金中，常需預計或實測熔融金屬溶液中溶劑和各種雜質元素的相對揮發速度，而雜質元素和溶劑金屬的蒸氣壓及雜質元素在熔融金屬溶液中的活度是決定相對揮發速度的主要因素。用計算得到的相對揮發速度和實驗結果相比較，可判斷雜質以何種形態揮發，從而有利於了解和加快雜質的去除過程。例如，已查明在熔融Fe-C-Si-S溶液中，S主要以SiS形態揮發。

對理想或接近理想的二元合金溶液，例如 Ni-Cu二元系的表面張力研究表明，表面張力與組分間存在著一定的簡單關係。當組分間形成化合物時，例如在 Fe-Si，Zn-Mg二元系中,在表面張力-組成曲線上相應於化合物組成處出現折點。熔融金屬溶液的粘度與組成間也往往有一定的關係。例如當合金的組成處於共晶點時,粘度-溫度關係線上會出現折點，甚至不少合金體系出現粘度的最小值，而在其他組成時與線性混合規則偏離較小。具有相同結構的兩種合金,如臨界溫度相同,則在各溫度時粘度相同。與固態合金相仿，熔融金屬溶液中的擴散也可用斐克（Fick）定律來描述,但就擴散機理而論,後者遠較前者複雜，顯然對它的闡明還需進行更多的研究。

電遷移是研究得較多的熔融金屬溶液的另一性質。早在19世紀，人們就發現向液態合金通以直流電可以分離合金組分，其後又發現甚至可利用電遷移來分離同位素。70年代，電子拖曳模型可以較好地描述合金溶液中組分走向的規律。模型認為電子在液態合金中流動時與其中的離子碰撞，在碰撞中一部分電子的動量傳給了離子，產生了驅動速度。不同離子的動量分配隨離子的散射截面而定，散射截面大的隨電子流流向陽極。在液態金屬同位素的分離中輕的同位素有較大遷移率，隨電流流向陽極。該模型在一定程度上解釋了電遷移中的金屬走向，但其正確性尚有待更多數據的論證。

參考書目

S. Z. Beer ed.,Liquid Metals (Chem╢stry and Phys╢cs) ,Marcel Dekker,New York,1972.