2.3纳米熔盐表面张力分析

利用拉筒法对配制的基盐及5种加入30nm SiO2纳米颗粒的纳米熔盐的表面张力进行测量,每隔10℃进行一次测量，对得到的实验数据进行整理和分析，拟合公式以及拟合系数见表3。

样品的表面张力值随温度变化如图7所示。可以看到，在250~480℃内，基盐的表面张力在0.1044~0.1188N/m，表面张力随温度的升高呈下降趋势。1#纳米熔盐的表面张力在0.1059~0.1219N/m，对数据进行拟合后，拟合系数在0.995以上，拟合程度较好。2#纳米熔盐的表面张力在0.1117~0.1301N/m，拟合系数为0.996，随温度变化的趋势和基盐及一般熔盐表面张力的变化趋势保持一致，均随温度的升高呈下降趋势。3#和4#纳米熔盐的表面张力在0.1075~0.1232 N/m和0.1085~0.1265 N/m，拟合系数都在0.994以上，其中4#纳米熔盐的拟合系数与2#纳米熔盐的拟合系数相同，均为0.996，拟合程度最好。5#纳米熔盐的表面张力在0.1115~0.1305N/m，拟合系数为0.991。

样品的表面张力值随温度变化如图7所示。

如图7所示，纳米熔盐的表面张力均随温度的升高呈下降趋势，与单组分熔融盐和多组分混合熔融盐的表面张力随温度变化的趋势保持一致。5种纳米熔盐的表面张力与基盐相比均有所增大。与基盐相比，1#纳米熔盐的表面张力增加幅度最小，平均提高2.32%;5#纳米熔盐的表面张力增加幅度最大，平均提高9.14%;2#纳米熔盐表面张力平均提高8.26%;3#纳米熔盐表面张力平均提高3.66%，4#纳米熔盐表面张力平均提高5.85%。

图8为不同温度工况点下样品表面张力随纳米颗粒浓度的变化情况，当SiO2纳米颗粒浓度(质量分数，下同)为0.3%时，纳米熔盐的表面张力出现一个小峰，当SiO2纳米颗粒浓度为0.5%，纳米熔盐的表面张力随之减小，随后开始增大。文献中提出，在熔融盐中加入SiO2纳米颗粒后，由于分子间作用力和纳米熔盐配制过程中的搅拌作用，熔融盐会在纳米颗粒周围形成一种纳米云核，由于熔融盐会包裹在纳米颗粒周围，而将熔融盐吸附在纳米颗粒周围的力会随熔融盐与纳米颗粒的距离发生变化，与纳米颗粒直接接触的熔融盐受到的作用力较大，不容易再一次变成游离的熔融盐，而距离纳米颗粒较远的熔融盐，由于所受到的力较小，会受到温度等因素的影响，更加容易再次处于游离态。而当加入特定的SiO2纳米颗粒浓度时，熔融盐受到的力能够使得其包裹在SiO2纳米颗粒周围，即出现如图8所示中存在的小峰。而当加入的SiO2纳米颗粒浓度逐渐增大时,熔融盐分子与SiO2纳米颗粒形成的纳米云核的尺寸开始发生变化，因此表面张力随SiO2纳米颗粒浓度的增大而增大。

图8为不同温度工况点下样品表面张力随纳米颗粒浓度的变化情况。

2.4纳米熔盐机理分析

将纳米颗粒加入熔融盐中，能够改变熔融盐的熔点、比热容、热导率等热物性。在已有的文献中除了热物性进行测量外，也对纳米熔盐强化机理进行研究，并且提出了多种模型对纳米熔盐强化机理进行解释，但是这些机理描述前后存在许多矛盾。而纳米熔盐配制方法的不同也存在着不同的纳米熔盐热物性强化机理。本实验采用高温熔融法，将SiO2纳米颗粒分散至solar salt中，配制得到纳米熔盐。对纳米熔盐的密度和表面张力进行了实验测量。并以此为例，对纳米熔盐强化密度和表面张力的机理进行分析。

在使用高温熔融法制备纳米熔盐时，SiO2纳米颗粒具有很强的活性，当与solar salt进行混合后，SiO2纳米颗粒表面缺少的配位的原子，会与solar salt中的碱金属原子和氧原子作用，形成K一O键和Na-O键以及Si-O键，如图9(a)所示。因此solar salt由于化学键的作用会在SiO2纳米颗粒表面形成稳定的化学吸附层，在使用高温熔融法对纳米熔盐进行搅拌时，熔盐分子会由于范德华力和静电力的作用，吸附在纳米颗粒表面，形成多层物理吸附层，如图9(b)所示。而当纳米颗粒最外层熔盐分子受到的范德华力和静电力作用处于平衡时，会形成以SiO2纳米颗粒为中心周围包裹着熔盐分子的纳米云核，利用高温熔融法将SiO2纳米颗粒分散至熔融盐中形成的纳米云核如图9(c)所示。

如图9所示。

采用高温熔融法制备纳米熔盐时，由于范德华力和静电力的作用会有大量的熔盐分子包裹在SiO2纳米颗粒周围，而SiO2纳米颗粒的密度为2.20g/cm3，与solar salt的密度相差不大，且在solar salt中加入的SiO2纳米颗粒较少，因此形成的纳米云核中熔融盐分子的密度占主导地位，SiO2纳米颗粒对solar salt的密度影响可忽略不计，也能够很好地解释在密度实验中测得5种纳米熔盐的密度与基盐的密度保持一致。

表面张力是液体表面分子为了对抗与液体内部分子之间的作用力而产生的力。在solar salt中加入SiO2纳米颗粒后，会有大量的熔盐分子包裹在SiO2纳米颗粒周围，形成纳米云核后会对熔盐液面的分子产生一个作用力，因此在solar salt中加入SiO2纳米颗粒后，会使得熔盐的表面张力增大。在熔盐系统中形成的纳米云核对表面张力的影响会随着SiO2纳米颗粒周围熔盐厚度的改变而改变。

当在solar salt中加入的SiO2纳米颗粒浓度小于0.3%时，由于SiO2纳米颗粒浓度较小，包裹在SiO2纳米颗粒的熔盐分子早已达到饱和，因此表面张力会随着SiO2纳米颗粒浓度的增加而增加。而当SiO2纳米颗粒浓度大于0.3%，小于0.5%时，此时包裹在SiO2纳米颗粒周围的熔盐分子未达到饱和，此时的表面张力会减小。当SiO2纳米颗粒的浓度大于0.5%时，由于加入的SiO2纳米颗粒的浓度较大，纳米云核中熔盐分子层的厚度较薄，纳米云核之间开始相互作用，而纳米云核的聚集会增大对熔盐表面分子的引力，同时SiO2纳米颗粒也会对熔盐表面的分子产生一个用力，从而使得表面张力增大，并且会随着SiO2纳米颗粒浓度的增加表面张力也随之增大。

3结论

利用高温熔融法，将30nm的SiO2纳米颗粒分散至solar salt中，制得5种纳米熔盐，并对solar salt和5种纳米熔盐的密度和表面张力进行实验测量，提出高温熔融法制备纳米熔盐的形成机理，并对纳米颗粒对熔融盐密度和表面张力的影响机理进行解释分析。主要得出以下结论。

(1)搭建的密度-表面张力实验台能够在高温下测量熔体的密度和表面张力，密度实验台的最大偏差值低于0.12%，表面张力实验台的最大偏差值低于4.0%；利用高温熔融法在solar salt中加入30nm的SiO2纳米颗粒，制备了基盐及5种纳米熔盐，得到了纳米熔盐密度和表面张力随温度和SiO2纳米颗粒浓度的变化情况，并对实验数据进行拟合得到了密度和表面张力随温度的拟合关系式。

(2)纳米熔盐的密度不随SiO2纳米颗粒浓度的改变而改变，且5种纳米熔盐的密度均与基盐的密度保持一致。

(3)纳米熔盐的表面张力与加入的SiO2纳米颗粒浓度有关，当SiO2纳米颗粒浓度小于0.5%时，纳米熔盐的表面张力先增大后减小；当SiO2纳米颗粒浓度大于0.5%时，纳米熔盐的表面张力随SiO2纳米颗粒浓度的增加而增大。

(4)采用高温熔融法制备纳米熔盐时，由于SiO2纳米颗粒表面缺少配位的原子，熔融盐分子会在SiO2纳米颗粒周围先形成化学吸附层，随后由于搅拌的作用，形成物理吸附层，最终以纳米云核的形式存在于熔盐体系中。