CN107036969B - 一种液态金属表面双电层特性的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种液态金属表面双电层特性的检测系统和方法，主要包括电子束发生器、激光源、检测屏、液态金属液滴、介质溶液、检测箱体等部分；该方法利用电子束轰击液态金属液滴改变其表面双电层特性，最终影响其表面特定位置的曲率半径，通过计算检测屏上的反射光位置与电子束轰击时间的数学关系即可得到该部位双电层的种类、电量等相关信息，相比于传统的检测手段，该方法不仅可以对金属液滴的特定位置进行双电层特性测量，而且可以对金属液滴的整体进行检测，以得到整个液滴表面的双电层分布情况，此外该系统可以直接对液态金属表面进行精细处理，进而改变金属表面双电层的特性。

Description

一种液态金属表面双电层特性的测量系统及方法
技术领域
本发明属于液态金属性能测试技术领域，特别涉及一种液态金属表面双电层特性的测量系统及方法。
背景技术
一般而言，当液态金属与溶液接触时，金属表面的电荷会重新排布，于溶液-液态金属界面形成双电层。双电层是液态金属的表面张力、吸附特性等基本表面性质的决定性因素。因此，如何快速准确的测量双电层的电荷种类、结构及电荷排布情况对液态金属的研究与应用有重要意义。
现有的测量双电层的方法主要有充电曲线法、电毛细曲线法及微分电容法。这三种方法测量所需的金属量较多，不适用于微观尺度；且测量过程中金属滴下的过程会与空气接触导致液态金属液滴表面生成氧化膜，影响测量精度；且测得的是金属整体的双电层分布，难以精确到局部。综上所述，现有的技术很难准确测量小尺寸金属液滴表面的双电层的情况。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液态金属表面双电层特性的测量系统及方法，以电子束轰击为主要检测手段，使电子与液态金属表面双电层发生相互作用，引起局部双电层的电荷分布变化，从而导致液态金属表面张力的变化，最终导致液态金属表面曲率半径的变化；之后，通过测量反射光角度的变化，得到电子束轰击时间与液滴表面张力变化的数学关系，进而计算得到该部位双电层的种类、电量等相关信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液态金属表面双电层特性的测量系统，包括检测箱体6，在检测箱体6的正上方设置有用于产生特定功率电子束的电子束发生器1，其发射电子束的一端在检测箱体6内，另一端与外部的控制电路相连，在检测箱体6的内部右侧壁上设置有用于发射特定功率激光的激光源2，其发射激光一端在检测箱体6内，以一定角度对准检测箱体6底部平面上的液态金属液滴4表面，另一端与外部的控制电路相连，在检测箱体6的内部左侧壁上设置有用于接收液态金属液滴4表面反射光的检测屏3，所述液态金属液滴4位于检测箱体6底部由待检测材料所制成的基底平面上，浸泡在介质溶液5中。
所述电子束发生器1产生可控的功率介于6～12keV的电子束，可通过末端的控制电路控制其电子束发射时间。所述激光源2产生功率为100mW的红色激光束，光束直径为1.1mm。
所述检测屏3为白色PVC材料光屏，用来记录和显示液态金属液滴4表面反射的反射光角度，以显示和测量液态金属表面曲率半径的变化。
所述待检测材料可以为金属或塑料，所述介质溶液5为检测双电层所需的稀溶液，所述检测箱体6为PVC材质的透明长方体箱。
所述介质溶液5可以为质量分数为2％的氢氧化钠溶液或氯化钠溶液或盐酸溶液，使浸泡在其中的液态金属液滴4表面形成双电层。
所述液态金属液滴4为低熔点金属或合金。低熔点金属包括汞、铋等，合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金等。
利用所述液态金属表面双电层特性的测量系统的测量方法，包括：
首先将一定量的介质溶液5放置在检测箱体6中，并将待检测的液态金属液滴4放置在检测箱体6的底部平面上，此时液态金属液滴4表面形成双电层，并在表面张力的作用下与检测箱体6底部平面形成一定的接触角，其表面具有一定的曲率半径；
之后，打开激光源2，发射特定频率的激光束，并以一定角度照射在液态金属液滴4表面上，而液态金属液滴4表面的发射光投射到检测箱体6左侧的检测屏3，通过计算反射光在检测屏3上的位置即可得到发射光角度信息；
最后，打开电子束发生器1产生特定功率的电子束，对位于检测箱体6底部平面上的液态金属液滴4进行轰击，从而改变其表面双电层的电荷分布，引起表面张力的变化，继而改变其表面曲率半径，随着电子束轰击时间的增加，液态金属液滴4表面曲率半径也产生相应的改变，从而使检测屏3上的反射光位置产生变化，通过计算检测屏3上的反射光位置与电子束轰击时间的数学关系即可得到该部位双电层的种类、电量等相关信息。
本发明所述的液态金属表面双电层特性的检测系统可以通过控制电子束发生器的位置，精确测量液态金属液滴表面某一局部区域的双电层的种类、电量等相关信息，也可以通过依次改变电子束发生器的照射位置，即移动电子束的轰击位置，得到整个液态金属液滴表面各个位置的双电层的种类、电量等相关信息，对整个液态金属表面进行检测。此外，使用本发明所述的电子束发生器可以对液态金属液滴表面进行精确处理，进而改变液态金属液滴的表面性质。
相比于传统的检测手段，本发明利用电子束轰击液态金属液滴改变其表面双电层特性，最终影响其表面特定位置的曲率半径。通过计算检测屏上的反射光位置与电子束轰击时间的数学关系即可得到该部位双电层的种类、电量等相关信息。不仅可以对金属液滴的特定位置进行双电层特性测量，而且可以对金属液滴的整体进行检测，以得到整个液滴表面的双电层分布情况，此外该系统可以直接对液态金属表面进行精细处理，进而改变金属表面双电层的特性。
附图说明
图1是本发明所述的液态金属表面双电层特性测量系统的整体示意图。
图2是本发明所述的电子束轰击液态金属表面时，引起液态金属液滴表面曲率半径变化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1，本发明所述的液态金属表面双电层特性的检测系统主要由电子束发生器1、激光源2、检测屏3、液态金属液滴4、介质溶液5、检测箱体6等部分组成。所述的电子束发生器1位于检测箱体6的正上方，其发射电子束的一端放置在检测箱体6内，另一端与外部的控制电路相连，用来产生可控的功率介于6～12keV的电子束；所述的激光源2位于检测箱体6的右侧，其发射激光一端放置在检测箱体6内，另一端与外部的控制电路相连，用来产生的功率为100mW的红色激光束，光束直径为1.1mm；所述的检测屏3位于检测箱体6的左侧，为长20cm、宽2mm、高50cm的白色PVC材料光屏，用于接收液态金属液滴4表面反射的反射光；所述的液态金属液滴4为被检测物质，位于检测箱体6底部由待检测材料如金属、塑料、所制成的基底平面上，浸泡在介质溶液5中；所述的介质溶液5一般为检测双电层所需的稀溶液通常为质量分数为2％的氢氧化钠溶液；所述的检测箱体6为长20cm、宽20cm、高50cm的PVC材质的透明长方体箱。
参考附图2，本发明所述的液态金属表面双电层特性的检测系统在使用过程中，首先需要将一定量的介质溶液5如氢氧化钠等放置在检测箱体6中，并将待检测的液态金属液滴4放置在检测箱体6的底部平面上。此时液态金属液滴4表面形成双电层，并在表面张力的作用下与检测箱体6底部平面形成一定的接触角，其表面具有一定的曲率半径。之后，打开激光源2，发射特定频率的激光束，并以一定角度照射在液态金属液滴4表面上，而液态金属液滴4表面的发射光投射到检测箱体6左侧的检测屏3。通过计算反射光在检测屏3上的位置即可得到发射光角度信息。最后，打开电子束发生器1产生特定功率的电子束，对位于检测箱体6底部平面上的液态金属液滴4进行轰击，从而改变其表面双电层的电荷分布，引起表面张力的变化，继而改变其表面曲率半径。随着电子束轰击时间的增加，液态金属液滴4表面曲率半径也产生相应的改变，从而使检测屏3上的反射光位置产生变化。最后通过计算检测屏3上的反射光位置与电子束轰击时间的数学关系即可得到该部位双电层的种类、电量等相关信息。具体计算方法如下：
设液滴上的测量点在电子束轰击前曲率为R1、液态金属表面张力为γ1，轰击后曲率变为R2，轰击后的液态金属表面张力为γ2，因轰击前后液态金属内外附加压力几乎不变，即有由此得到轰击后的液态金属液滴表面张力假设液态金属的双电层以Stern双电层形式存在，则双电层电容为
其中，γ为轰击后液滴该处的表面张力，Φ为单位时间内的电势差改变，可表示为Φ＝Ne，其中N为单位时间内电子束发射到达液态金属表面的电子数量。
以上所述的仅是本发明优选实施方案，该液态金属表面双电层特性的检测系统的各组成部分，即电子束发生器1、激光源2、检测屏3、液态金属液滴4、介质溶液5、检测箱体6等的具体功能参数和外形尺寸都可以进行合理修改。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态金属表面双电层特性的测量系统，包括检测箱体(6)，其特征在于，在检测箱体(6)的正上方设置有用于产生特定功率电子束的电子束发生器(1)，其发射电子束的一端在检测箱体(6)内，另一端与外部的控制电路相连，在检测箱体(6)的内部右侧壁上设置有用于发射特定功率激光的激光源(2)，其发射激光一端在检测箱体(6)内，另一端与外部的控制电路相连，在检测箱体(6)的内部左侧壁上设置有用于接收液态金属液滴(4)表面反射光的检测屏(3)，所述液态金属液滴(4)位于检测箱体(6)底部由待检测材料所制成的基底平面上，浸泡在介质溶液(5)中。
2.根据权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述电子束发生器(1)产生可控的功率介于6～12keV的电子束，所述激光源(2)产生功率为100mW的红色激光束，光束直径为1.1mm。
3.根据权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述检测屏(3)为白色PVC材料光屏，用来记录和显示液态金属液滴(4)表面反射的反射光角度，以显示和测量液态金属表面曲率半径的变化。
4.根据权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述待检测材料为金属或塑料，所述介质溶液(5)为检测双电层所需的稀溶液，所述检测箱体(6)为PVC材质的透明长方体箱。
5.根据权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述介质溶液(5)为质量分数为2％的氢氧化钠溶液或氯化钠溶液或盐酸溶液，使浸泡在其中的液态金属液滴(4)表面形成双电层。
6.根据权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述液态金属液滴(4)为低熔点金属或合金。
7.根据权利要求6所述液态金属表面双电层特性的测量系统，其特征在于，所述低熔点金属包括汞、铋，所述合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金。
8.利用权利要求1所述液态金属表面双电层特性的测量系统的测量方法，其特征在于：
首先将一定量的介质溶液(5)放置在检测箱体(6)中，并将待检测的液态金属液滴(4)放置在检测箱体(6)的底部平面上，此时液态金属液滴(4)表面形成双电层，并在表面张力的作用下与检测箱体(6)底部平面形成一定的接触角，其表面具有一定的曲率半径；
之后，打开激光源(2)，发射特定频率的激光束，并以一定角度照射在液态金属液滴(4)表面上，而液态金属液滴(4)表面的发射光投射到检测箱体(6)左侧的检测屏(3)，通过计算反射光在检测屏(3)上的位置即可得到发射光角度信息；
最后，打开电子束发生器(1)产生特定功率的电子束，对位于检测箱体(6)底部平面上的液态金属液滴(4)进行轰击，从而改变其表面双电层的电荷分布，引起表面张力的变化，继而改变其表面曲率半径，随着电子束轰击时间的增加，液态金属液滴(4)表面曲率半径也产生相应的改变，从而使检测屏(3)上的反射光位置产生变化，通过计算检测屏(3)上的反射光位置与电子束轰击时间的数学关系即可得到轰击部位双电层的种类、电量相关信息。
9.根据权利要求8利用液态金属表面双电层特性的测量系统的测量方法，其特征在于，通过移动电子束的轰击位置，对整个液态金属表面进行检测。
10.根据权利要求8利用液态金属表面双电层特性的测量系统的测量方法，其特征在于，通过电子束发生器(1)对液态金属液滴(4)表面进行精确处理，进而改变液态金属液滴(4)的表面性质。
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