什么是熔融金属溶液?

[拼音]：rongrong jinshu rongye

[外文]：molten metallic solution

两种或两种以上的金属形成的熔体。含有杂质的金属熔体也可视为熔融金属溶液。它是冶金熔体之一，常为金属冶炼过程中的中间产物。从这个意义上讲，钢铁冶炼中的铁水也是一种熔融金属溶液。人们对熔融金属溶液的研究和认识有一个由浅入深的过程。和其他冶金熔体一样，对它的研究主要可分为化学性质、物理性质和结构三方面，而对前二者的研究，也在一定程度上有助于结构的阐明。由于精炼过程中需要去除各种杂质，所以熔融金属溶液的热化学、热力学和组分的活度是人们较重视和研究得较多的课题。随着真空冶金的发展，杂质挥发的动力学也受到了较大的注意。在物理性质方面，对表面张力、粘度、扩散、电迁移等性质都进行了较多的研究。用 X射线衍射研究熔融金属溶液和非晶态金属和合金的结构也得到了较大的发展（见液态金属结构）。

从30年代以来，人们对铁液中各元素的活度进行了大量测定工作，所用方法包括蒸气压、电化学和化学平衡等。利用两种金属（例如铁和银）在液态的互溶度很小的特点，测定第三组分在二者之间的分配，也可以看作化学平衡法的一种。从40年代开始，人们又逐步开展了熔融有色金属溶液中的活度测定工作，但直到70年代也还远不及研究熔融黑色金属溶液的程度，而有关稀有金属的工作就更少。

在真空冶金中，常需预计或实测熔融金属溶液中溶剂和各种杂质元素的相对挥发速度，而杂质元素和溶剂金属的蒸气压及杂质元素在熔融金属溶液中的活度是决定相对挥发速度的主要因素。用计算得到的相对挥发速度和实验结果相比较，可判断杂质以何种形态挥发，从而有利于了解和加快杂质的去除过程。例如，已查明在熔融Fe-C-Si-S溶液中，S主要以SiS形态挥发。

对理想或接近理想的二元合金溶液，例如 Ni-Cu二元系的表面张力研究表明，表面张力与组分间存在着一定的简单关系。当组分间形成化合物时，例如在 Fe-Si，Zn-Mg二元系中，在表面张力-组成曲线上相应于化合物组成处出现折点。熔融金属溶液的粘度与组成间也往往有一定的关系。例如当合金的组成处于共晶点时，粘度-温度关系线上会出现折点，甚至不少合金体系出现粘度的最小值，而在其他组成时与线性混合规则偏离较小。具有相同结构的两种合金，如临界温度相同，则在各温度时粘度相同。与固态合金相仿，熔融金属溶液中的扩散也可用斐克（Fick）定律来描述，但就扩散机理而论，后者远较前者复杂，显然对它的阐明还需进行更多的研究。

电迁移是研究得较多的熔融金属溶液的另一性质。早在19世纪，人们就发现向液态合金通以直流电可以分离合金组分，其后又发现甚至可利用电迁移来分离同位素。70年代，电子拖曳模型可以较好地描述合金溶液中组分走向的规律。模型认为电子在液态合金中流动时与其中的离子碰撞，在碰撞中一部分电子的动量传给了离子，产生了驱动速度。不同离子的动量分配随离子的散射截面而定，散射截面大的随电子流流向阳极。在液态金属同位素的分离中轻的同位素有较大迁移率，随电流流向阳极。该模型在一定程度上解释了电迁移中的金属走向，但其正确性尚有待更多数据的论证。

X 射线衍射和中子衍射等方法都被用来对液态金属和合金在不同温度和组成范围内进行研究，根据衍射研究结果和其他性质的研究，提出了一些模型，包括类晶结构模型和硬球无规堆积模型等。它们可以分别应用于Ni-Pd-P和Ni3P，Fe-P-C等体系的熔融金属溶液。另外，非晶态金属，特别是非晶态硅的研究，由于用它制成的太阳能电池有实用前景而得到了很大进展。非晶态金属的研究结果也可作为熔融金属溶液的借鉴。

对液体结构和其他性质的研究本来远比固体困难，而且由于熔融金属溶液一般处于较高温度之下，测定其性质和结构的实验技术更为不易，因而过去对它的研究较少。但这种情况从50年代以来已有所改变，液态金属和合金已成为一个重要的科研领域，而且可望迅速发展。例如，对中国来说，稀土元素是富产金属，它们的应用必将日益发展，因而它们在钢液中行为的研究已引起中国冶金学家的重视。中国富产的有色和稀有金属，例如锑、锡、镓、铟等也将是重要的研究对象。电迁移和扩散在半导体材料特别是砷化镓等的电外延和液相外延过程中起着重要的作用，对它们的研究有理论和实际意义。可以预料，在研究对象方面，将日益向熔融金属溶液多样化发展；在研究内容方面，则将日益深入。

参考书目

S. Z. Beer ed.，Liquid metals (Chem╢stry and Phys╢cs) ，Marcel Dekker，New York，1972.