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滴状冷凝初始液滴形成机理的研究

閤松柏  
【摘要】: 蒸汽在过冷表面进行滴状冷凝时的初始液滴形成机理一直是悬而未决的问题。为了证明滴状冷凝初始液滴的生成机理,本文以能与热水(冷凝液)反应的镁表面作为冷凝表面,在实验中通过控制过冷度和冷凝时间而实现蒸汽在镁表面的初始冷凝,然后应用电子探针和扫描电镜分析冷凝前后试件表面化学成分的变化,用于推断蒸汽的初始冷凝状态是核状还是薄膜状。 本文首先通过称重法测定镁与热水的反应速率,从而得出该反应的活化能Ea=75.24KJ/mol,指前系数A=3.05×10~7。根据阿伦尼乌斯方程,可以计算出镁与热水在各个温度下的反应速率。反应速率计算结果表明,在几秒钟的反应时间内镁表面上所形成的氧元素含量水平足以在电子探针及扫描电镜上检测出来,从而说明镁作水蒸汽的冷凝表面以记录初始凝液形成状态是可行的。 以机械抛光和磁控溅射两种方法制备镁表面,原子力显微镜的检测结果表明,机械抛光表面粗糙度在微米级,磁控溅射所得镁膜表面平均粗糙度为23nm左右。通过电子探针检测磁控溅射镁膜厚度为21μm,这说明衬底完全被镁覆盖。所以磁控溅射法制备的镁膜适宜作为本实验用的冷凝表面,并能满足冷凝实验后电子探针面扫描的要求。 初始冷凝实验中,通过控制过冷度和冷凝时间而实现镁表面初始冷凝液核的形成,然后利用电子探针和扫描电镜进行检测,结果显示初始冷凝后镁表面上氧元素的含量随着过冷度和冷凝时间的增加而增加,并且氧元素在表面上的分布是不均匀的。而且电子探针和扫描电镜两种方法所检测的得结果基本吻合,充分说明了本研究方法和结果的可靠性,即凝液与镁表面反应所留下的痕迹能真实的反应初始凝液的形成状态。利用反应动力学推算出的初始液滴所占面积与电子探针的检测结果也吻合良好。因此,本研究的结果一致表明,初始凝液只在部分区域、而不是在整个冷凝表面形成,即滴状冷凝初始液滴形成的机理符合固定成核中心假说。


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