本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬，特別是一種磁性液態(tài)金屬及其制備方法。
背景技術(shù)：
液態(tài)金屬一般指在低于常溫的溫度下，金屬或合金仍能保持液體狀態(tài)。通常使用的液態(tài)金屬合金為鎵-銦合金，或鎵-銦-錫合金。其最低熔點能夠達(dá)到-19℃。液態(tài)金屬在軟機器人、散熱、導(dǎo)熱、可變天線、3D打印等領(lǐng)域都能發(fā)揮重要作用。盡管液態(tài)金屬材料具有優(yōu)良的流動性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等，但缺點在于不易外加驅(qū)動力使得液態(tài)金屬流動。雖然電磁泵在某些場合可以用來驅(qū)動液態(tài)金屬液體，但電磁泵往往需要加很高的電流強度來達(dá)到足夠的力量驅(qū)動液態(tài)金屬液體。即使能夠驅(qū)動，液態(tài)金屬液體也必須在管內(nèi)流動。這個缺點極大的限制了液態(tài)金屬材料在可變天線、液態(tài)金屬軟機器等方面的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種保持液態(tài)金屬自身具有的高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率等理化性質(zhì)，使液態(tài)金屬具有較強的磁性，在較低外加磁場的作用下流動或移動的磁性液態(tài)金屬。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
本發(fā)明一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，所述磁性納米顆粒為磁性金屬/金屬氧化物雙層復(fù)合顆粒。
由于采用了上述技術(shù)方案，在液態(tài)金屬中添加磁性納米顆粒能夠使液態(tài)金屬材料獲得磁性，使液態(tài)金屬材料成為具備導(dǎo)熱、導(dǎo)電的條件下，同時具備強磁性的復(fù)合材料。磁性液態(tài)金屬能夠在外加磁場的驅(qū)動下進(jìn)行流動，當(dāng)液態(tài)金屬經(jīng)過設(shè)計的磁場，能夠改變液態(tài)金屬流動的方向等。將這種具有磁性的液態(tài)金屬應(yīng)用到可變天線，通過改變外界磁場，就能夠達(dá)到改變天線的尺寸、方向等，從而達(dá)到調(diào)整天線的頻率，增益、電磁波波長參數(shù)的效果。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述磁性納米顆粒包括磁性金屬內(nèi)核，所述磁性金屬外表面覆有金屬氧化物殼層。
由于采用了上述技術(shù)方案，在磁性金屬外包裹金屬氧化物殼層不僅能夠防止磁性納米顆粒被氧化和腐蝕，還能夠屏蔽磁性納米粒子之劍的偶極相互作用，阻止粒子發(fā)生團(tuán)聚，提高磁納米金屬流體的穩(wěn)定性，同時能夠提高磁納米顆粒在液態(tài)金屬中的浸潤度，增加磁性納米顆粒在液態(tài)金屬中的溶解度。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述內(nèi)核的直徑為20~150nm，所述殼層的厚度為8~30nm。
由于采用了上述技術(shù)方案，內(nèi)核與殼層的厚度為最佳范圍內(nèi)。
優(yōu)選的，當(dāng)內(nèi)核直徑為50nm，殼層厚度為10nm為最佳值。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述磁性金屬為鐵、鎳、鈷、釓或其合金；或者鐵、鎳、鈷、釓中的至少一種和銅、鋁、鐵、金、銀、鎂、鈣、鋇、鎳、鋅、鉻、釩、鈮、釤、鎢、鈦、銣、鎘、鐠、鏑、鋱或銻金屬中至少一種的合金；或者鐵、鎳、鈷、釓中的至少一種和硅或硼中至少一種的合金。
優(yōu)選的，磁性金屬選用鎳或鎳硅合金為最佳；當(dāng)選用鎳硅合金時，硅的含量為7.4%，鎳的含量為92.6%時為最佳。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，其特征在于：所述金屬氧化物為鋁、鎵、銦、鍺、錫、鉛、鋅、鎘、銅、鈷中至少一種金屬的氧化物。
優(yōu)選的，金屬氧化物選用三氧化二鋁為最佳，由于三氧化二鋁與液態(tài)金屬材料之間的浸潤性最強。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述磁性納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~27%。
由于采用了上述技術(shù)方案，為了達(dá)到較高的飽和磁感應(yīng)強度，可以增大磁性納米顆粒在液態(tài)金屬母液重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是當(dāng)磁性納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時，會大大影響液態(tài)金屬的理化性質(zhì)，當(dāng)磁性納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于27%時，會對液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性造成較大的影響。
優(yōu)選的當(dāng)磁性納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%最佳，液態(tài)金屬的磁感應(yīng)強度達(dá)到120emu/g。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述液態(tài)金屬是鎵基二元合金或鎵基多元合金。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬，所述鎵基二元合金為鎵銦合金、鎵鉛合金或鎵汞合金，所述鎵基多元合金為鎵銦錫合金或鎵銦錫鉍合金。
由于采用了上述技術(shù)方案，采用鎵基液態(tài)金屬能夠與磁性納米顆粒配合獲得優(yōu)異的電磁特性和流動性，同時能夠快速方便的制得一種高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強度、流動性好、不易會發(fā)、不易泄露的磁性液態(tài)金屬。
本發(fā)明的磁性液態(tài)金屬的制備方法，包括以下步驟：
步驟一，制備磁性納米顆粒；
步驟二，將液態(tài)金屬除鎵外的金屬按比例和磁性納米顆?；旌暇鶆?；
步驟三，將步驟二中混合粉末加熱至熔融狀態(tài)，按比例倒入熔融狀態(tài)的鎵，保持混合物融合狀態(tài)，攪拌至混合均勻，自然冷卻后制得磁性液態(tài)金屬材料。
本發(fā)明的一種磁性液態(tài)金屬的制備方法，所述磁性納米顆粒由化學(xué)共沉淀法、微乳液法、超聲沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、相轉(zhuǎn)移法、自蔓延高溫燃燒法、介質(zhì)分散法、機械球磨法、超臨界法、化學(xué)鍍法或電弧法制備而成。
綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
1、使液態(tài)金屬材料在具備導(dǎo)熱、導(dǎo)電的條件下，同時具備強磁性，能夠在外加磁場的驅(qū)動下進(jìn)行流動，擴充了液態(tài)金屬材料在可變天線、液態(tài)金屬軟機器等方面的應(yīng)用。
2、液態(tài)金屬與磁性納米顆粒配合獲得優(yōu)異的電磁特性和流動性，同時能夠快速方便的制得一種高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強度、流動性好、不易會發(fā)、不易泄露的磁性液態(tài)金屬。
具體實施方式
下面對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
為了使發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實施例1
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.4%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.6%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的1%，磁性納米顆粒為Fe/ZnO雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Fe內(nèi)核，F(xiàn)e內(nèi)核外表面覆有ZnO殼層，內(nèi)核的直徑為20nm，殼層的厚度為8nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為37W/mK，磁感應(yīng)強度為63emu/g。
實施例2
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.4%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.6%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的27%，磁性納米顆粒為Fe/ZnO雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Fe內(nèi)核，F(xiàn)e內(nèi)核外表面覆有ZnO殼層，內(nèi)核的直徑為20nm，殼層的厚度為8nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為36W/mK，磁感應(yīng)強度為83emu/g。
實施例3
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵鉛合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.1%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.9%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的6.7%，磁性納米顆粒為Ti/CoO雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ti內(nèi)核，Ti內(nèi)核外表面覆有CoO殼層，內(nèi)核的直徑為150nm，殼層的厚度為30nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為30W/mK，磁感應(yīng)強度為89emu/g。
實施例4
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫鉍合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，鉍占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的4.2%，磁性納米顆粒為Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni內(nèi)核，Ni內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為50nm，殼層的厚度為10nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為73W/mK，磁感應(yīng)強度為120emu/g。
實施例5
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫鉍合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，鉍占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的1%，磁性納米顆粒為Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni內(nèi)核，Ni內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為50nm，殼層的厚度為10nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為73W/mK，磁感應(yīng)強度為108emu/g。
實施例6
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫鉍合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，鉍占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的27%，磁性納米顆粒為Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni內(nèi)核，Ni內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為50nm，殼層的厚度為10nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為64W/mK，磁感應(yīng)強度為123emu/g。
實施例7
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的12.7%，磁性納米顆粒為Ni-Tb/GeO2雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni-Tb合金內(nèi)核，鋱的含量為3.1%，鎳的含量為96.9%，Ni-Tb合金內(nèi)核外表面覆有GeO2殼層，內(nèi)核的直徑為60nm，殼層的厚度為25nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為68W/mK，磁感應(yīng)強度為89emu/g。
實施例8
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的20%，磁性納米顆粒為Ni-Si/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni-Si內(nèi)核，硅的含量為7.4%，鎳的含量為92.6%，Ni-Si內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為20nm，殼層的厚度為20nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為69W/mK，磁感應(yīng)強度為105emu/g。
實施例9
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵銦錫合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，銦占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，錫占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的10%，磁性納米顆粒為Ni-Si/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Ni-Si內(nèi)核，硅的含量為7.4%，鎳的含量為92.6%，Ni-Si內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為20nm，殼層的厚度為20nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為70W/mK，磁感應(yīng)強度為102emu/g。
實施例10
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵汞合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%，汞占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的21%，磁性納米顆粒為Gd/Ga2O3雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Gd內(nèi)核，Gd內(nèi)核外表面覆有Ga2O3殼層，內(nèi)核的直徑為130nm，殼層的厚度為27nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為35W/mK，磁感應(yīng)強度為60emu/g。
實施例11
一種磁性液態(tài)金屬，由磁性納米顆粒分散在液態(tài)金屬中組成，液態(tài)金屬為鎵鉛合金，其中鎵占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%，鉛占液態(tài)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%，磁性納米顆粒占總質(zhì)量的3.7%，磁性納米顆粒為Gd-Fe/PbO雙層復(fù)合顆粒，磁性納米顆粒包括Gd-Fe內(nèi)核，釓的含量為12.7%，鐵的含量為87.3%，Gd-Fe內(nèi)核外表面覆有PdO殼層，內(nèi)核的直徑為48nm，殼層的厚度為13nm。
該磁性液態(tài)金屬的導(dǎo)熱率為39W/mK，磁感應(yīng)強度為74emu/g。
實施例12
一種制備磁性液態(tài)金屬的方法，包括以下步驟：
步驟一，通過電弧法制備Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆粒，該顆粒包括Ni內(nèi)核，Ni內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為50nm，殼層的厚度為10nm；
步驟二，將占液態(tài)金屬總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的銦和占液態(tài)金屬總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的錫混合均勻后，取占磁性液態(tài)金屬總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%的Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆?；旌暇鶆颍?/p>
步驟三，將步驟二中混合粉末加熱至250℃，混合粉末呈熔融狀態(tài)，取占液態(tài)金屬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%的鎵加熱至熔融狀態(tài)后，倒入熔融態(tài)的混合液中，按照攪拌速率為400rpm攪拌2h，自然冷卻后制得磁性液態(tài)金屬材料。
制得的磁性液態(tài)金屬材料的導(dǎo)熱率為73W/mK，磁感應(yīng)強度為120emu/g。
實施例12
一種制備磁性液態(tài)金屬的方法，包括以下步驟：
步驟一，通過電弧法制備Gd/Ga2O3雙層復(fù)合顆粒，該顆粒包括Gd內(nèi)核，Gd內(nèi)核外表面覆有Ga2O3殼層，內(nèi)核的直徑為130nm，殼層的厚度為27nm；
步驟二，將占液態(tài)金屬總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%的汞，和占磁性液態(tài)金屬總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的Gd/Ga2O3雙層復(fù)合顆?；旌暇鶆?；
步驟三，將步驟二中混合粉末加熱至330℃，混合粉末呈熔融狀態(tài)，取占液態(tài)金屬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%的鎵加熱至熔融狀態(tài)后，倒入熔融態(tài)的混合液中，按照攪拌速率為800rpm攪拌1h，自然冷卻后制得磁性液態(tài)金屬材料。
制得的磁性液態(tài)金屬材料的導(dǎo)熱率為35W/mK，磁感應(yīng)強度為60emu/g。
實施例13
通過電弧法制備雙層復(fù)合顆粒的方法（以Ni/Al2O3為例），包括以下步驟：
步驟一，將一塊Ni-Al（20%Al，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的合金放置在水冷的銅臺上作為陽極，鎢作為陰極，在常溫條件下對反應(yīng)室進(jìn)行抽真空；
步驟二，當(dāng)真空度達(dá)到3×10-3Pa時，通入氦氣和氫氣，通入的氦氣壓力為16kP，通入的氫氣壓力為2kP，調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)兩電極之間的距離為12cm；
步驟三，兩電極間施加20~25V的電壓，50~60A的電流，進(jìn)行電弧反應(yīng)5min；
步驟四，停止電弧后，向反應(yīng)室內(nèi)緩慢通入氬氣和氧氣，其中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，將制得樣品放置在水冷器上，鈍化24h，得到Ni內(nèi)核外表面覆有Al2O3殼層，內(nèi)核的直徑為50nm，殼層的厚度為10nm的Ni/Al2O3雙層復(fù)合顆粒。
通過調(diào)整兩電極之間的電壓，電流強度，以及兩電極之間的距離能夠獲得內(nèi)核直徑不同、殼層厚度不同的雙層復(fù)合顆粒；使用不同的合金能夠制得不同材料的雙層復(fù)合顆粒。
本發(fā)明的磁性納米顆?？梢杂苫瘜W(xué)共沉淀法、微乳液法、超聲沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、相轉(zhuǎn)移法、自蔓延高溫燃燒法、介質(zhì)分散法、機械球磨法、超臨界法、化學(xué)鍍法或電弧法制備而成，并不僅限于本實施例公開的電弧法，通過不同方法制得的相同磁性納米顆粒，具有相同的性質(zhì)。
本發(fā)明的磁性金屬可以為鐵、鎳、鈷、釓或其合金；或者鐵、鎳、鈷、釓中的至少一種和銅、鋁、鐵、金、銀、鎂、鈣、鋇、鎳、鋅、鉻、釩、鈮、釤、鎢、鈦、銣、鎘、鐠、鏑、鋱或銻金屬中至少一種的合金；或者鐵、鎳、鈷、釓中的至少一種和硅或硼中至少一種的合金，并不僅限于本實施例公開的液態(tài)金屬。
本發(fā)明的金屬氧化物可以為鋁、鎵、銦、鍺、錫、鉛、鋅、鎘、銅、鈷中至少一種金屬的氧化物，并不僅限于本實施例公開的金屬氧化物。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。