摘要:为准确计算纳米熔盐的传热储热能力，利用高温熔融法将SiO2纳米颗粒分散至二元硝酸盐(60%NaNO3-40%KNO3)中，制备了5种不同含量SiO2纳米颗粒的纳米熔盐复合材料。基于阿基米德法测量液体密度和拉筒法测量液体表面张力的原理改进实验装置，搭建高温熔盐密度、表面张力实验台。实验对制备的5种纳米熔盐的表面张力和密度进行实验测量，并对实验数据进行拟合，得到5种纳米熔盐密度和表面张力随温度的变化关系，拟合得到纳米熔盐密度和表面张力与温度之间的实验关联式。结果表明，基盐及5种纳米熔盐的密度均随温度的升高而下降，且加入SiO2纳米颗粒后，熔融盐的密度变化不明显。基盐及5种纳米熔盐的表面张力也随温度的升高而下降，且加入SiO2纳米颗粒后，熔融盐的表面张力值均有所增加。提出纳米熔盐形成机理，并对纳米熔盐密度和表面张力改变的原因进行解释。

熔盐作为一种具有优良传热性能的介质，在太阳能光热领域、“谷电”储热领域、工业高温间歇性余热回收领域都具有很好的应用前景。熔融盐密度和表面张力的大小直接决定着其传热性能的好坏。确定熔融盐的密度和表面张力对传热储热工质的优选具有极其重要的意义。

针对熔融盐的密度和表面张力，已经有许多的学者进行了研究。A··别略耶夫等对大量的熔融盐的密度进行了实验研究，并且给出了与温度之间的拟合关系式。Li等利用阿基米德法测量了LiNO3-NaNO3-KNO3-NaNO2-KNO2共晶盐，液态时不同温度下的密度，得到温度和密度之间的拟合关系式，并且给出了预测混合共晶盐密度的模型。Wu等在solar salt中加入了多壁碳纳米管，并利用阿基米德法对其密度进行测量，实验结果表明，在基盐中加入多壁碳纳米管后密度变化不大。Zou等在Hitec盐中加入硝酸钙后利用阿基米德法对其密度进行实验测量，结果表明，其密度随温度呈线性变化，且熔融盐的密度随温度的升高而降低。Xiong等制备出了6种不同组成比的四元溴化盐，并且通过阿基米德法和拉筒法对其进行密度和表面张力的测量，结果表明，密度和表面张力均随温度呈线性变化。Hong等对K2O-NbO5熔融体系的表面张力进行了研究，结果表明，增加K2O的比例熔融盐体系的表面张力会减小。Kubikova等利用最大气泡压力法对LiCl-NaCl-ZnCl2熔融盐体系的表面张力进行了测量，并得到了熔融盐表面张力随温度变化的拟合关系式。这些研究人员对熔融盐的密度和表面张力进行了测量，都为今后优选出具备良好传热储热性能的介质提供了基础数据支撑。

文献综述表明,近年来许多的研究人员对熔融盐的密度和表面张力进行研究，但是单一组分和多组分熔融盐作为传热储热介质还存在熔点偏高、工作温度范围较窄、储热成本偏高等缺点。solar salt作为应用最为广泛的熔融盐之一，在其中加入SiO纳米颗粒后比热容最大提高28.9%8。而在solar salt中加入SiO2纳米颗粒后，其密度和表面张力却未见有公开发表的文章。本文通过阿基米德法和拉筒法对高温熔融法制备的纳米熔盐复合材料进行密度和表面张力的测量。最终得到密度和表面张力随温度变化的拟合关系式，为优选出适合于传热储热性能的介质提供数据支撑。同时对高温熔融法制备的纳米熔盐的机理进行分析。

1实验材料与方法

1.1纳米熔盐的制备

本实验所用材料为NaNO3、KNO3和30nm的SiO2纳米颗粒。所有实验材料在制备纳米熔盐之前均需要经过干燥处理。使用型号为Mettler Toledo ME104，精度为0.1mg的电子天平对干燥后的熔融盐和纳米颗粒进行称量。见表1，按照比例将基盐及纳米颗粒进行称量后，利用高温熔融法将SiO2纳米颗粒均匀分散至基盐中，将制备好的纳米熔盐样品放入干燥箱中保存备用。

1.2实验系统

实验系统由测量系统、加热系统、控制系统和支撑系统组成。实验系统如图1(a)所示。测量系统由高精度电子天平(型号为METTLER TOLEDO ME104,精度为0.1 mg)、数据采集器(型号为key sight 34872 A)、热电偶(K型)、探头组成;加热系统由电加热炉和坩坩埚埚组成;控制系统由电压调整器(型号为T6-1-4-060 DC)、智俊软件组成;支撑系统由升降台、钢架、玻璃板组成。

实验系统如图1(a)所示。

1.2.1密度实验台

密度是一个重要的物性参数,尤其对于用作传热蓄热工质的熔融盐。熔融盐的密度大时,能够减少传热储热系统中的占地面积，有效节约经济成本。在众多密度测量的方法中,阿基米德法以其操作简单、测量精度高等优点,更加适合于测量高温下液体的密度。

对纳米熔盐的密度进行测量时,需要耐高温的密度探头,因此选用316 L不锈钢制成如图1(b)所示的密度探头。先将密度探头用铂金丝悬挂在电子天平底部,称量得到其质量为m_1,后使探头完全浸入液体中,待探头保持稳定且电子天平达到平衡后,得到电子天平读数m_2,由式(1)计算可得液体密度。

式中,m_1为悬挂于电子天平底部密度探头的质量,g;m_2为密度探头浸入到待测液体内电子天平的数值,g;g为重力加速度,取9.81 m/s^2;V为探头的体积,m^3。

1.2.2表面张力实验台

表面张力是一个重要的物性参数，是物质传热性能好坏的决定因素之一。表面张力与液相传输系数N成正比，增大熔融盐的表面张力能够有效提高其传热效率。拉筒法以其操作简单、能够实现准确测量等优点,更加适用于测量高温下液体的表面张力。

在使用本实验台对纳米熔盐的表面张力进行测量时,需要选择耐高温的拉筒,拉筒示意图如图1(c)所示。表面张力由式(2)计算可得。

式中,R为拉筒底环平均半径,m;m_1为拉筒脱离熔盐液面时电子天平的最大读数,g;m_0为拉筒质量,g;g为重力加速度,取9.81 m/s²;C为仪器系数。