引言

深过冷技术通过抑制凝固过程中的异质形核，使液态金属冷却至远低于平衡凝固点温度而不发生晶体形核。这种远离热力学平衡的亚稳态为研究液态金属热物理性质提供了独特窗口。然而，深过冷状态下的实验数据稀缺，制约了凝聚态物理和材料科学的定量发展。表面张力作为关键热物理性质，不仅影响凝固过程，还决定了材料最终性能。本研究聚焦Ni-15%Sn合金，通过电磁悬浮与液滴振荡法，实现了265K的过冷度，为深过冷熔体研究提供了新范式。

深过冷技术的核心在于避免异质形核。传统接触式测量方法因器壁接触引入形核点，难以实现深过冷。无容器处理技术如电磁悬浮，有效隔离了外部干扰，为高温熔体研究开辟了新途径。本文结合实验数据，深入剖析技术原理与结果，挖掘表面张力与动力学参数的内在联系。

实验方法

电磁悬浮技术利用高频交变电磁场与金属样品的相互作用，实现悬浮熔炼。交变电流产生的高频磁场在样品中感生涡流，涡流与磁场相互作用产生洛伦兹力，抵消重力并加热样品。这种非接触方式避免了污染，为深过冷创造了条件。实验采用99.999%高纯Ni和Sn制备合金样品，直径4-7mm，质量约0.8g。真空环境优于1.0×10⁻⁵Pa，氦氩混合气体作为氛围，氢气混合气体控制冷却，确保了实验纯度。

悬浮液滴在表面张力作用下产生振荡，振荡行为与表面张力直接相关。Rayleigh最早建立了振荡频率与表面张力的理论关系：σ=Mω²/(8π²)，其中M为质量，ω为振荡频率。然而，重力场导致频率分裂，需通过多峰分析计算真实频率。Cummings和Blackburn的研究表明，地球重力下频率常分裂为三峰或五峰，取决于线圈设计。微重力环境则呈现单峰，简化了分析。本实验通过频谱处理，采用公式ω²=ω_max²+ω_min²+ω_middle²-ω_tr²计算Rayleigh频率，确保了数据准确性。

振荡信号通过红外非接触测量获取，经光电转换、滤波和FFT处理，得到频谱分布。低频峰对应质心平移，高频峰反映表面振荡。该方法避免了传统测量的形核问题，实现了1368-1915K温度范围内的连续观测。实验设计的创新点在于结合了高真空环境与气体冷却控制，确保了过冷态的稳定性。

实验结果

实验测得Ni-15%Sn合金表面张力在1368-1915K范围内呈线性递减：σ=1316.7-1.01(T-T_L)mN/m，其中T_L=1623K为合金熔点。线性关系表明，在深过冷状态下，表面张力随温度连续变化，熔点处无突变。这一结果与常规液态金属行为一致，但过冷度达265K（0.16T_L），扩展了温度区间。

数据可靠性通过多维度验证。样品挥发损失小于0.5%，对表面张力影响可忽略。与文献对比显示，本研究在1773K和1743K的数据分别为1191mN/m和1156mN/m，高于文献报告的1133mN/m和1000mN/m。差异源于深过冷实验的高纯度环境，减少了杂质导致的表面张力降低。本实验通过真空熔炼和气体控制，提升了数据真实性。

表面张力与成分相关。Ni-Sn合金的表面张力随Sn含量变化，符合二次曲线关系。本研究为二元合金表面张力数据库提供了新数据，支持了成分依赖性的理论模型。线性温度系数-1.01 mN/m·K反映了原子间作用力随温度的变化规律，为熔体结构研究提供了依据。

振荡信号和频谱图直观展示了实验过程。时域信号包含振荡细节，频域分析通过FFT揭示了主频峰。该方法的高灵敏度确保了微小频率变化的检测，为表面张力计算奠定了基础。

黏度与扩散系数

表面张力与黏度系数、扩散系数存在内在联系。根据Egry关系，η=mσ/(kTr)，其中η为黏度，m为原子质量，k为玻尔兹曼常数，r为特征长度。扩散系数D=kT/(mη)。基于表面张力数据，计算得到Ni-15%Sn合金的黏度和扩散系数随温度变化关系。

黏度系数遵循Arrhenius公式：η=η₀exp(Eη/kT)，Eη为黏液活化能。活化能包括质点移动能和空隙通过能，是温度的函数：Eη=Eη₀+βT。计算得Eη₀=3.99×10⁴J/mol，低温下βT项可忽略。扩散激活能E_D同样为3.99×10⁴J/mol，表明黏滞流动与扩散过程具有相似能垒。

这些参数揭示了熔体原子尺度的动力学行为。黏度反映流动阻力，扩散系数表征原子迁移率。在深过冷状态下，这些参数的非平衡特性为凝固动力学研究提供了输入。例如，高黏度可能促进玻璃形成，而扩散系数影响相分离行为。本研究通过表面张力间接推导动力学参数，避免了直接测量的困难。

表面张力-温度曲线直观展示了线性递减趋势。数据点分布密集，拟合优度高，证实了模型的可靠性。图表化呈现增强了结果的可视化，便于对比分析。

讨论

本研究的核心创新在于电磁悬浮与振荡法的结合。电磁悬浮技术通过高频磁场实现无接触悬浮，避免了异质形核。线圈设计优化了悬浮稳定性，重力补偿策略解决了频率分裂问题。振荡法利用表面张力驱动的自然振荡，无需外部激励，减少了干扰。

实验环节的精心设计确保了数据质量。高真空环境降低了氧化风险；氦氩混合气体提供了惰性氛围；氢气冷却实现了可控降温。样品制备采用电弧熔炼，保证了成分均匀性。这些细节体现了实验物理的精密性。

与现有技术对比，本方法优于座滴法或气泡压力法。无容器处理实现了深过冷，振荡法提供了动态测量能力。不足之处在于设备复杂度高，微重力环境可进一步简化频率分析。未来可结合空间实验，提升测量精度。

黏度和扩散系数曲线显示了随温度升高而变化的趋势。Arrhenius行为明显，活化能计算为基础理论提供了实验支持。图表结合公式，深化了对熔体动力学的理解。

结论

本研究成功测定了Ni-15%Sn合金深过冷熔体的表面张力，获得了线性温度依赖关系。通过衍生计算，得到了黏度系数、扩散系数及活化能参数。实验方法展现了电磁悬浮技术的优势，为高温熔体研究提供了可靠方案。

深过冷研究的意义超越表面张力测量。它为凝固理论、非平衡动力学提供了数据支撑。未来工作可扩展至其他合金体系，或结合分子模拟验证理论模型。在材料设计领域，表面张力数据可用于优化铸造工艺，控制凝固组织。