一种液态合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属材料领域,尤其涉及一种液态合金及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 低熔点合金,是指熔点低于232°C(Sn的熔点)的易熔合金,通常由铋(Bi)等低熔 点金属元素组成。低熔点合金通常被广泛地用作焊料,以及电器、蒸汽、消防、火灾报警等装 置中的保险丝、熔断器等热敏组件,是一类颇具发展潜力的新型材料。
[0003] 液态合金即为一种低熔点合金,且在常温下为液态,可以像水一样自由流动,但却 拥有金属的特性。液态合金的原子结构也与普通的固态金属不同,更类似于非晶态的液体, 其导热能力和比热容远高于传统的甲醇和水等导热剂。
[0004] 镓为淡蓝色金属,在29. 76°C时变为银白色液体。液态镓很容易过冷即冷却至0°C 而不固化。基于镓(Ga)的液态合金正是利用此种金属低熔点和可保持过冷液态的性质,混 合铋(Bi)、铝(Al)、镁(Mg)、银(Ag)等金属而制得的。现有最低熔点记录为:TC,故常温下 呈液态。
[0005] 超导材料最普遍的应用之一为超导线材或线圈,其接驳处也要求具有优异的导电 性,以保证在使用过程中输运较大电流。已有报道的超导线材接驳方法包括粘接、烧结连 接、焊接、金属套接、压接等。其中超导接头的制备工艺复杂,且对接驳材料的要求很高,普 通的材料很难胜任。
[0006] 基于丝网印刷的银浆导电线路常应用于薄膜开关、软性线路、玩具线路、手写板线 路、电子琴线路、电脑键盘线路、遥控器等产品,由于此种导电线路截面积较小,故而需要所 采用的印刷材料具有良好的电导率,且不易损坏而造成断路。
【发明内容】
[0007][技术问题]
[0008] 本发明的一个方面涉及一种液态合金,所述液态合金具有无毒、流动性佳、导热导 电性能优异、临界温度下超导等优良特性。
[0009] 本发明的另一个方面涉及一种液态合金的制备,所述制备工艺简单高效,成本低 廉,环保节约。
[0010] 本发明的再一个方面涉及一种液态合金的应用,所述液态合金可广泛应用于超导 电路(如超导线材接驳)、电子元器件的电接驳、电子线路板、自修复导体等领域。
[0011] [技术方案]
[0012] 根据本发明的一个方面,提供了一种液态合金,可包含:1-90重量份的镓(Ga)、 1-75重量份的铟(In)和1-40重量份的锡(Sn)。所述各个组分的重量比不同可调节制得 的液态合金的熔点。其中,通过调节镓(Ga)的含量,还可以调节所述液态合金的流动性。
[0013] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含:5-65重量份的镓、20-70重量 份的铟和5-25重量份的锡。
[0014] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含:70-90重量份的镓和总量为 10-30重量份的铟和锡,且所述铟和锡的重量比为1:2。
[0015] 以此配比制得的液态合金具有适宜的流动性和良好的电导率,可应用于自修复导 体中,在导体受损时修复导体,避免了所述导体的断路而造成事故损失。
[0016] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可进一步包含1-30重量份的其它组 分。所述其它组分不作特别的限定,且优选地,可选自铅(Pb)、铝(A1)、银(Ag)、铬(Cr)、 钛(Ti)、铁(Fe)、镁(Mg)、钙(Ca)、铜(Cu)、钴(Co)、锰(Mn)、镍(Ni)、锌(Zn)、锗(Ge)JS (Sr)、纪(Y)、错(Zr)、银(Nb)、钼(Mo)、镉(Cd)、碳纳米管(CNT)和石墨稀(Graphene)中的 至少一种。
[0017] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含1-15重量份的所述其它组分。
[0018] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含1-5重量份的所述其它组分。
[0019] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含:40-50重量份的镓、15-20重 量份的铟、30-40重量份的锡和1-10重量份的铅。
[0020] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金可包含:40-65重量份的镓、15-25重 量份的铟、10-20重量份的锡、1-5重量份的锌和1-5重量份的银。
[0021] 根据本发明的另一个方面,提供了上述液态合金的制备方法,可包括以下步骤:
[0022] (1)以上述重量比分别称量镓、铟和锡;
[0023] (2)在隔绝空气的条件下,将镓加热至完全熔融;
[0024] (3)将锡加入到熔融状态的镓中,在加热条件下,例如加热至235°C以上使锡熔 化,同时搅拌以获得均匀的镓锡混合物;
[0025] (4)将铟加入到熔融状态的镓锡混合物中,在加热条件下,例如维持温度在120°C 以上使铟熔化,同时搅拌以获得均匀的镓、铟和锡的混合物;
[0026] (5)将所述液态合金自然冷却至室温,从而制得所述液态合金。
[0027] 根据本发明的另一个实施方式,所述液态合金的制备方法可进一步包括:
[0028] 称量以上重量比的其它组分,所述其它组分可选自铅(Pb)、铝(A1)、银(Ag)、 铬(Cr)、钛(Ti)、铁(Fe)、镁(Mg)、钙(Ca)、铜(Cu)、钴(Co)、锰(Mn)、镍(Ni)、锌(Zn)、 锗(Ge)、锶(Sr)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、镉(Cd)、碳纳米管(CNT)和石墨烯 (Graphene)中的至少一种;以及将所述其它组分加入到步骤(1)之后以及步骤(5)之前的 任意步骤所获得的产物中,并搅拌至混合均匀。
[0029] 所述其它组分的添加和搅拌可在加热或室温条件下进行。
[0030] 根据本发明的再一个方面,上述液态合金的应用可包括用于超导电路、电子元器 件的电接驳、电子线路板和自修复导体等。
[0031] 所述液态合金在降温固化的过程中,有自然的铟(In)或锡(Sn)以及铟锡(InSn) 相等金相的自分离,这是其超导特性的本源。
[0032] 根据本发明的一个实施方式,所述液态合金在超导电路的应用可包括:超导线材 接驳、制作约瑟夫森结等。
[0033]所述液态合金属于非理想第二类超导体,具有两个临界磁场值,在两个临界磁场 值之间,所述液态合金允许部分磁场穿透材料,此外,非理想第二类超导体有较高的临界温 度和临界磁场,可以通过较大的超导电流,故有较高的工业应用价值。
[0034][有益效果]
[0035] 本发明所述的液态合金具有如下优点:
[0036] (1)根据本发明的一个实施方式的由镓、锡和铟组成的液态合金是无毒的,即使掺 入某些有毒的成分,如铅、钴或镉,由于中和稀释和合金化的作用,所制得的液态合金也只 有极低的毒性。
[0037] (2)根据本发明的液态合金的导电性能优异,如所述液态合金在20 °C时的 电导率可在3XIO6Q1Hi1以上,例如,Ga62In22Sn16(下标数字为重量比)的电导率为 3.IXlO6Q1In^GassIn4Sn8的电导率为3. 6X10 6Q1In\均大大优于普通的银衆固化导电线 路(电导率IXlO4Q1Hi:),故可代替银浆用于电子元器件的电接驳、电子线路板中,并且其 抗折性明显优于光纤、普通金属导线和银浆固化导线等。
[0038] (3)根据本发明的液态合金在常温下具有适宜的流动性,可应用于自修复导体中, 在导体受损时流出修复导体,避免了所述导体的断路而造成事故损失。
[0039] (4)根据本发明的液态合金具有超导性质,属于非理想第二类超导体,例如, Ga5In71Sn24、Ga62In22Sn16 (下标数字为重量比)等液态合金均测得高于6K(如6. 4K、6. 6K)的 超导起始转变温度(见图1和2),与传统的低温超导材料NbTi、Nb3Sn等接近。并且相比于 第一类超导体汞,同样在室温下为液态,但汞为第一类超导体,无法承载较大的超导电流, 对工业应用无大意义。
[0040] (5)根据本发明的液态合金在常温下为液态,可装入不同的容器中形成所需的形 状,并在随后的降温过程中固化为所需超导器件,相比于常温为固态的超导合金,简化了在 合金使用前对其形状的加工,使得所述液态合金的应用较为简便;此外,利用上述性质,也 为采用所述液态合金进行复杂超导器件的3D打印提供了广阔的应用前景。
[0041] (6)如上所述根据本发明的液态合金在常温下为液态的性质,在进行超导线材接 驳时,与超导线材的接触性好,无需焊接或粘接,简化了接驳过程,降低了成本。
[0042] (7)根据本发明的另一个方面的液态合金的制备方法,其制备工艺简单高效,成本 低廉,环保节约。
【附图说明】
[0043] 附图图示了本发明的优选实施方式,连同前面的叙述,用于进一步理解本发明的 技术精神。在所述附图中:
[0044] 图1为根据本发明的一个实施方式的重量比Ga:In:Sn为5: