基于Wenzel 模型和Cassie 模型，研究了金屬液滴在區(qū)域非均勻多孔介質(zhì)表面的潤(rùn)濕行為。結(jié)果表明，大孔、小Young氏接觸角區(qū)域?qū)σ旱胃�易表現(xiàn)高粘附性;而在小孔、大Young氏接觸角區(qū)域，由于低粘附性，液滴會(huì)向大孔區(qū)域表現(xiàn)出爬移行為。提出借助非均勻區(qū)域周期性組合的方法來(lái)防止液滴飛濺的“自束液”防溢設(shè)計(jì)思路，為在微重力環(huán)境下，液態(tài)金屬熱管、離子電推進(jìn)器及原子鐘等航天星載產(chǎn)品在振動(dòng)條件下能正常工作提供潛在應(yīng)用的可能性。

　　引言

　　對(duì)于熱管、電推進(jìn)器及原子鐘，當(dāng)其中的工作質(zhì)為液態(tài)貴金屬(如鈉、鉀、銣、銫、鎵等)時(shí)，在微重力環(huán)境下對(duì)其的儲(chǔ)存技術(shù)是至關(guān)重要的。這不僅關(guān)系到產(chǎn)品的工作壽命，而且影響著其表現(xiàn)性能。對(duì)星載銫鐘而言，其銫爐中液態(tài)銫的防溢設(shè)計(jì)是決定星載銫鐘能否正常工作的先決條件，也是地面銫鐘與空間銫鐘在物理設(shè)計(jì)上主要的不同之處。在星載原子鐘平臺(tái)中采用銫原子鐘能夠有效提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)期自主運(yùn)行能力，這也是美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS采用星載銫鐘并不斷提高其指標(biāo)的原因。

　　目前，微重力環(huán)境下液態(tài)金屬的防溢設(shè)計(jì)主要有兩種技術(shù)途徑：一是優(yōu)化其儲(chǔ)箱的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);二是在儲(chǔ)箱中引入微觀多孔介質(zhì)材料。其中，被引入的多孔介質(zhì)可扮演兩種角色，一種是主動(dòng)束縛型，即液態(tài)金屬完全被填充到多孔介質(zhì)當(dāng)中，形成含液多孔介質(zhì);另一種是被動(dòng)束縛型，即多孔介質(zhì)被放置在金屬氣體的出口端，形成含氣多孔介質(zhì)。一般采用多元組合、多級(jí)聯(lián)合的防溢設(shè)計(jì)策略能夠更有效的阻止液態(tài)金屬在空間振動(dòng)環(huán)境下形成孤立液滴，甚至洪流等現(xiàn)象的出現(xiàn)，可避免造成元器件的失效。不僅起到粘附防溢的作用，而且具有穩(wěn)流，可循環(huán)功能，極大地提高了元器件的可靠性及在軌運(yùn)行壽命。

　　考慮到金屬液滴附著在多孔介質(zhì)表面時(shí)的潤(rùn)濕行為對(duì)防溢設(shè)計(jì)的重要性，通過(guò)將實(shí)際問(wèn)題模型化，基于經(jīng)典潤(rùn)濕模型和毛細(xì)粘附理論，研究了三種金屬液滴在多孔介質(zhì)表面的潤(rùn)濕行為，進(jìn)而提出了一種防止液滴飛濺的“自束液”防溢設(shè)計(jì)策略。

1、物理模型

　　在振動(dòng)條件下，處于失重狀態(tài)下的液態(tài)金屬會(huì)沿著多孔介質(zhì)通道爬移到浸潤(rùn)表面形成粘著液滴。若振動(dòng)達(dá)到某一量級(jí)，表面上的液滴甚至?xí)�濺射成為液體團(tuán)塊而四處漂浮。對(duì)于銫原子鐘，當(dāng)其聚集在準(zhǔn)直縫上時(shí)會(huì)阻塞銫原子束的形成，進(jìn)而彌散到銫束管內(nèi)，影響銫原子鐘的正常運(yùn)行。這些漂浮的銫原子打在探測(cè)器上形成本底噪聲，降低信噪比和穩(wěn)定度。若銫原子沉積在電極上，降低了電極間的絕緣性能，造成高壓短路，使銫原子鐘無(wú)法工作。對(duì)于鉀型熱管，一旦有大量液體溢出循環(huán)通道，會(huì)造成因熱毛細(xì)抽力不足而斷流的現(xiàn)象，使其不能正常工作。在鎵離子等的電推進(jìn)器中，多孔介質(zhì)吸液芯一旦不能提供所需的毛細(xì)抽壓，那么液態(tài)鎵就無(wú)法被送到強(qiáng)電場(chǎng)“尖端”而被高能離化形成離子流，形成反向推力。在這些器件中，液體防溢技術(shù)的關(guān)鍵在于首先研究清楚多孔介質(zhì)特性(如材料種類(lèi)、形貌結(jié)構(gòu)等)對(duì)其表面金屬液滴潤(rùn)濕行為的影響。

　　基于上述考慮，通過(guò)研究考察銫液滴的潤(rùn)濕行為，初步確立在束液設(shè)計(jì)中多孔介質(zhì)材料所要具備的物理、化學(xué)特性。如圖1所示，建立基本物理模型，當(dāng)無(wú)柄液滴與多孔介質(zhì)表面形成只有液-固界面的完全潤(rùn)濕態(tài)時(shí)，則該潤(rùn)濕狀態(tài)可用Wenzel 模型[5]和Cassie模型[5]來(lái)描述，且兩模型控制方程分別為：

　　式中：θ為表觀接觸角;θY為Young氏接觸角;r 為多孔介質(zhì)表面粗糙因子;f 為多孔介質(zhì)材料表觀界面組分。

　　為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，首先考慮液滴在均勻區(qū)域的潤(rùn)濕行為，假設(shè)由同種材質(zhì)構(gòu)成的多孔介質(zhì)表面為孔徑大小一致且呈周期分布的微構(gòu)型表面。其中，孔徑為d，孔間距為s，膜厚為h，表面粗糙因子r和表面組分f 分別可表示為：

圖1 液滴在多孔介質(zhì)表面的潤(rùn)濕模型

　　由此可見(jiàn)，在束液設(shè)計(jì)中，對(duì)于多孔介質(zhì)的選擇，不僅需要考慮材料的Young氏接觸角，更重要地是對(duì)多孔介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇。實(shí)際孔徑尺度在微米量級(jí)范圍內(nèi)，而孔間距遠(yuǎn)大于孔徑。

3、結(jié)論

　　基于經(jīng)典潤(rùn)濕模型，主要研究了三種金屬液滴在區(qū)域非均勻多孔介質(zhì)表面的自潤(rùn)濕狀況。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴處在大孔、小Young氏接觸角表面時(shí)，材料表面對(duì)液滴更易表現(xiàn)高粘附特性;相反當(dāng)液滴處在小孔、大Young 氏接觸角區(qū)域時(shí)，由于低粘附性，液滴會(huì)向高粘附區(qū)域表現(xiàn)出爬移行為。多孔介質(zhì)所具有的可控性潤(rùn)濕特性，能夠有效的實(shí)現(xiàn)在空間環(huán)境下束縛液態(tài)金屬的目標(biāo)�；�于上述特性，提出一種借助非均勻區(qū)域周期性組合的方法來(lái)防止液滴飛濺的“自束液”防溢設(shè)計(jì)策略，為在微重力環(huán)境下，液態(tài)金屬熱管、離子電推進(jìn)及原子鐘等航天產(chǎn)品在振動(dòng)條件下能正常工作提供潛在應(yīng)用的可能性。