液態(tài)金屬在非均勻多孔介質(zhì)表面的潤濕行為分析基于Wenzel模型和Cassie模型，研究了金屬液滴在區(qū)域非均勻多孔介質(zhì)表面的潤濕行為。結(jié)果說明，大孔、小Young氏接觸角區(qū)域?qū)σ旱胃妆憩F(xiàn)高粘附性;而在小孔、大Young氏接觸角區(qū)域，由于低粘附性，液滴會向大孔區(qū)域表現(xiàn)出爬移行為。提出借助非均勻區(qū)域周期性組合的方法來防止液滴飛濺的“自束液”防溢設(shè)計思路，為在微重力環(huán)境下，液態(tài)金屬熱管、離子電推進器及原子鐘等航天星載產(chǎn)品在振動條件下能正常工作提供潛在應(yīng)用的可能性。

引言

對于熱管、電推進器及原子鐘，當(dāng)其中的工作質(zhì)為液態(tài)貴金屬(如鈉、鉀、銣、銫、鎵等)時，在微重力環(huán)境下對其的儲存技術(shù)是至關(guān)重要的。這不僅關(guān)系到產(chǎn)品的工作壽命，而且影響著其表現(xiàn)性能。對星載銫鐘而言，其銫爐中液態(tài)銫的防溢設(shè)計是決定星載銫鐘能否正常工作的先決條件，也是地面銫鐘與空間銫鐘在物理設(shè)計上主要的不同之處。在星載原子鐘平臺中采用銫原子鐘能夠有效提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)長期自主運行能力，這也是美國GPS和俄羅斯GLONASS采用星載銫鐘并不斷提高其指標(biāo)的原因。

目前，微重力環(huán)境下液態(tài)金屬的防溢設(shè)計主要有兩種技術(shù)途徑：一是優(yōu)化其儲箱的宏觀構(gòu)造設(shè)計;二是在儲箱中引入微觀多孔介質(zhì)材料。其中，被引入的多孔介質(zhì)可扮演兩種角色，一種是主動束縛型，即液態(tài)金屬完全被填充到多孔介質(zhì)當(dāng)中，形成含液多孔介質(zhì);另一種是被動束縛型，即多孔介質(zhì)被放置在金屬氣體的出口端，形成含氣多孔介質(zhì)。一般采用多元組合、多級聯(lián)合的防溢設(shè)妙策略能夠更有效的阻止液態(tài)金屬在空間振動環(huán)境下形成孤立液滴，甚至洪流等現(xiàn)象的出現(xiàn)，可防止造成元器件的失效。不僅起到粘附防溢的作用，而且具有穩(wěn)流，可循環(huán)功能，極大地提高了元器件的可靠性及在軌運行壽命。

考慮到金屬液滴附著在多孔介質(zhì)表面時的潤濕行為對防溢設(shè)計的重要性，通過將實際問題模型化，基于經(jīng)典潤濕模型和毛細(xì)粘附理論，研究了三種金屬液滴在多孔介質(zhì)表面的潤濕行為，進而提出了一種防止液滴飛濺的“自束液”防溢設(shè)妙策略。

1、物理模型

在振動條件下，處于失重狀態(tài)下的液態(tài)金屬會沿著多孔介質(zhì)通道爬移到浸潤表面形成粘著液滴。若振動到達(dá)某一量級，表面上的液滴甚至?xí)R射成為液體團塊而四處漂浮。對于銫原子鐘，當(dāng)其聚集在準(zhǔn)直縫上時會阻塞銫原子束的形成，進而彌散到銫束管內(nèi)，影響銫原子鐘的正常運行。這些漂浮的銫原子打在探測器上形成本底噪聲，降低信噪比和穩(wěn)定度。若銫原子沉積在電極上，降低了電極間的絕緣性能，造成高壓短路，使銫原子鐘無法工作。對于鉀型熱管，一旦有大量液體溢出循環(huán)通道，會造成因熱毛細(xì)抽力缺陷而斷流的現(xiàn)象，使其不能正常工作。在鎵離子等的電推進器中，多孔介質(zhì)吸液芯一旦不能提供所需的毛細(xì)抽壓，那么液態(tài)鎵就無法被送到強電場“尖端”而被高能離化形成離子流，形成反向推力。在這些器件中，液體防溢技術(shù)的關(guān)鍵在于首先研究清楚多孔介質(zhì)特性(如材料種類、形貌構(gòu)造等)對其表面金屬液滴潤濕行為的影響。

基于上述考慮，通過研究考察銫液滴的潤濕行為，初步確立在束液設(shè)計中多孔介質(zhì)材料所要具備的物理、化學(xué)特性。如圖1所示，建立基本物理模型，當(dāng)無柄液滴與多孔介質(zhì)表面形成只有液-固界面的完全潤濕態(tài)時，則該潤濕狀態(tài)可用Wenzel模型[5]和Cassie模型[5]來描述，且兩模型控制方程分別為：

式中：θ為表觀接觸角;θY為Young氏接觸角;r為多孔介質(zhì)表面粗糙因子;f為多孔介質(zhì)材料表觀界面組分。

為進一步簡化模型，首先考慮液滴在均勻區(qū)域的潤濕行為，假設(shè)由同種材質(zhì)構(gòu)成的多孔介質(zhì)表面為孔徑大小一致且呈周期分布的微構(gòu)型表面。其中，孔徑為d，孔間距為s，膜厚為h，表面粗糙因子r和表面組分f分別可表示為：

圖1液滴在多孔介質(zhì)表面的潤濕模型

由此可見，在束液設(shè)計中，對于多孔介質(zhì)的選擇，不僅需要考慮材料的Young氏接觸角，更重要地是對多孔介質(zhì)材料構(gòu)造參數(shù)的選擇。實際孔徑尺度在微米量級范圍內(nèi)，而孔間距遠(yuǎn)大于孔徑。

3、結(jié)論

基于經(jīng)典潤濕模型，主要研究了三種金屬液滴在區(qū)域非均勻多孔介質(zhì)表面的自潤濕狀況。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴處在大孔、小Young氏接觸角表面時，材料表面對液滴更易表現(xiàn)高粘附特性;相反當(dāng)液滴處在小孔、大Young氏接觸角區(qū)域時，由于低粘附性，液滴會向高粘附區(qū)域表現(xiàn)出爬移行為。多孔介質(zhì)所具有的可控性潤濕特性，能夠有效的實現(xiàn)在空間環(huán)境下束縛液態(tài)金屬的目標(biāo)?；谏?/p>