CN103184381B

CN103184381B - 一种液态镓合金及其配制方法

Info

Publication number: CN103184381B
Application number: CN201310054837.XA
Authority: CN
Inventors: 夏琦; 李然; 彭爱武; 赵凌志; 李建; 许玉玉; 沙次文
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: CN103184381A

Abstract

一种液态镓合金及其配制方法，其各组分及其质量百分比含量为：镓60%-75%、铟10%-25%、锡1%-11%、锌1%-8%。本发明液态镓合金配制方法的步骤如下：首先按照各组分的质量百分比称量镓、铟、锡和锌，然后加热镓至29°C，使其熔化，停止加热；把液态镓倒入不锈钢容器中，再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中；在常温下，用不锈钢小勺搅拌混合均匀，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成所述的液态镓合金。本发明液态镓合金用作液态金属磁流体发电机发电工质。

Description

一种液态镓合金及其配制方法

技术领域

本发明涉及一种镓合金及其配制方法。

技术背景

液态金属磁流体发电机利用密封在发电通道内部的高导电性的液态金属作为发电工质，实现了高的发电功率密度和发电效率。因而，液态金属的物化特性，如化学稳定性、熔点、密度和电导率，在很大程度上影响液态金属磁流体发电机的结构、运行性能以及该技术的应用前景。

目前，液态金属磁流体发电机可选择的发电工质有汞、U47（Bi₄₁Pb₂₂In₁₈Sn₁₁Cd₈）和钠钾合金（Na₂₂K₇₈）。汞是唯一在常温下呈液态并易流动的金属，中国专利CN1202758A采用高温喷射产生的汞蒸汽作为发电工质，设备复杂，发电效率不高。这主要是因为汞的密度很大（13.5939g/cm³），而电导率仅为1.03×10⁶S/m，输入能量中很大一部分用于汞本身的动能和内阻的焦耳热损耗。此外，汞是剧毒金属，具有高挥发性，安全隐患极大。

在中国专利CN101718247A和中国专利CN101571097都提出使用U47和Na₂₂K₇₈合金作为发电工质。

U47的熔点是47°C，密度为8.8g/cm³，液态时电导率为1.67×10⁶S/m，常温下，U47是固态，所以在具体应用中，就要考虑U47的加热问题，降低了发电装置的可操作性、且增加了发电装置的复杂性。并且配制U47需要专用的设备在真空中冶炼，与原料相比，配制费用也是比较大的成本开支。

Na₂₂K₇₈合金的熔点是-11°C，密度为0.875g/cm³，电导率为2.6×10⁶S/m，从密度和熔点来看，很适合作为LMMHD发电系统的发电工质。然而，Na₂₂K₇₈合金非常活泼，配制Na₂₂K₇₈合金需要在真空或惰性气体保护下进行，并且需要真空密封包装；否则，长时间暴露空气会发生自燃，遇水则会发生强烈爆炸。这就对发电装置的装配环境及密封性提出了很高的要求，限制了其使用范围。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种液态镓合金。本发明可作为液态金属磁流体发电机的发电工质。

本发明的液态镓合金各组分及其质量百分比含量为：镓60%-75%、铟10%-25%、锡1%-11%、锌1%-8%。所述的原料镓的纯度>99%、原料铟的纯度>99%、原料锡的纯度>99%、原料锌的纯度>99%。

镓的熔点为29°C，原料镓常温下为块状固体。原料铟、锡和锌可以是颗粒固体或者块状固体。

本发明的液态镓合金配制过程如下：首先按照上述各组分的质量百分比称量镓、铟、锡和锌四种原料。首先加热镓至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中。再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中，在常温下，用不锈钢小勺搅拌混合均匀，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。所用的配制容器和搅拌用的小勺也可以是由玻璃、聚甲醛、聚乙烯等材料制成，所述材料的材质不含铝。

经测试，本发明配制的液态镓合金的物理特性如下：凝固点为5°C；常温20°C下，密度为6.46g/cm³，电导率为3.4×10⁶S/m。

本发明的液态镓合金凝固点测量方法如下：在常温下，把配置好的液态镓合金倒入小烧杯，把小烧杯放在铁架台上，用铁架台的铁夹夹住温度计的上端，使温度计的底部浸入液态镓合金中，温度计的底部不可以触到小烧杯的四壁；把铁架台放入冷库，冷库恒温-5°C，用不锈钢小勺每个1分钟搅拌一次液态镓合金，观察液态镓合金是否有固体，同时记录液态镓合金的固液状态和温度，直至液态镓合金完全凝固。然后分析所记录的温度值，液态镓合金的温度一直呈下降趋势，但在液态镓合金固液混合状态时，温度保持在5°C，完全凝固后温度才继续下降。据此判断液态镓合金凝固点为5°C。

本发明的液态镓合金密度测量方法如下：在常温下，先称重一个量筒，记录量筒质量值；然后把液态镓合金倒入量筒，把盛有液态镓合金的量筒再称重，记录此刻盛有液态镓合金的量筒的质量值和液态镓合金的体积值。用液态镓合金和量筒的质量减去量筒的质量得出量筒内液态镓合金的质量，然后用液态镓合金的质量除以液态镓合金的体积，即可求得液态镓合金的密度。倒入量筒内的液态镓合金可以由少至多，多次测量，求取液态镓合金密度的平均值为6.46g/cm³。

本发明的液态镓合金电导率测量：在常温下，用电导率测量仪测量液态镓合金的电导率，测得液态镓合金的电导率为3.4×10⁶S/m。

本发明液态镓合金可用做液态金属磁流体发电机的发电工质。

本发明的液态镓合金低凝固点特性使其在常温下为液态，因此可以简化液态金属磁流体发电机的结构，提高了液态金属磁流体发电机可操作性。本发明液态镓合金的密度约为汞的一半，约为U47的75%，在相同的输出功率下，降低了液态金属磁流体发电机的需要的驱动力，提高了液态金属磁流体发电机的效率。本发明液态镓合金的电导率高于汞、U47和钠钾合金，在相同的磁场强度和运动速度下，可提高液态金属磁流体发电机的发电量。此外，镓合金的无毒无污染的特性保障了工作人员的人身安全。

本发明液态镓合金的配制方法和配制设备简单，可节约大量的制造成本和使用成本。此镓合金作为液态金属磁流体发电机的发电工质，克服了汞、U47和钠钾合金所面对的难题。

液态镓合金若作为液态金属磁流体发电机的发电工质，则液态镓合金易接触到的设备是：电极、发电通道和密封圈。紫铜材料是最常用的电极材料；聚甲醛、超高分子聚乙烯是发电通道常用材料；丁腈橡胶是密封圈常用材料；所以需要测试本发明的液态镓合金对这些材料的腐蚀性。

实验用具：6个有盖子的不锈钢杯子；2个紫铜试片、1个铝试片、1个聚甲醛试片和1个超高分子聚乙烯试片，所有试片长宽厚的尺寸为：40mm×20mm×3mm，表面光滑；1对丁腈橡胶试片，试片长宽厚的尺寸为：38mm×9mm×1mm和38mm×11mm×1.5mm，表面光滑。

实验步骤如下：

1、首先把配制好的液态镓合金，倒入6个不锈钢杯子中，盖上盖子。

2、用电子称分别把2个紫铜试片、1个铝试片、1个聚甲醛试片、1个超高分子聚乙烯试片和1对丁腈橡胶试片进行称重，记录每个试片的重量。

3、把每个试片各放在一个不锈钢杯子里，每个试片完全浸泡在不锈钢杯子里的液态镓合金中，盖上盖子，静置在常温20°C环境下。其中，铝试片、聚甲醛试片、超高分子聚乙烯试片和丁腈橡胶试片的密度都小于液态镓合金，需要压住这几种试片，则这几种试片会漂浮在液态镓合金上面，无法达到完全浸泡的效果。所以，在不锈钢杯子的盖子盖上时，用一根玻璃小棍下端按住试片，玻璃小棍的上端顶在不锈钢杯子的盖子上，使试片浸泡在液态镓合金中。

4、浸泡紫铜的不锈钢杯子有两个，其中一个静置放在常温20°C环境下；另一个放在电磁炉上直接加热，用电子温度计监测不锈钢杯子的温度。持续加热至150°C左右，然后调整电磁炉功率，保持在150°C左右半个小时，然后停止加热，静置在常温20°C环境下。

5、以上所有不锈钢杯子均静置两个月后，取出试片，进行拍照观察，清洗，然后用电子称称重，对比实验前后质量变化。

通过上述测试，本发明方法配制的液态镓合金对上述6个试片的腐蚀性为：本发明的液态镓合金对铝试片有明显的腐蚀性。本发明的液态镓合金在常温状态下对紫铜试片没有腐蚀性，在>150°C以上的高温环境下，对紫铜试片的腐蚀性仍然很低。对聚甲醛试片、聚乙烯试片和丁腈橡胶试片均没有任何腐蚀，所以可以作为液态金属磁流体发电机的发电工质使用。

附图说明

图1为本发明的液态镓合金凝固点测试，温度曲线图；

图2为150°C高温耐腐蚀实验前的紫铜试片；

图3为150°C高温耐腐蚀实验结束，清洗后的紫铜试片；

图4a为常温耐腐蚀实验前铝试片；

图4b为常温耐腐蚀实验后本发明的液态镓合金；

图4c为常温耐腐蚀实验后铝试片；

图5为常温耐腐蚀实验结束后，用水对铝试片进行清理时的现象；

图6为常温耐腐蚀实验前的紫铜试片、聚甲醛试片、丁腈橡胶试片和超高分子量聚乙烯试片；

图7为常温耐腐蚀实验结束后刚取出的紫铜试片、聚甲醛试片、超高分子量聚乙烯试片和丁腈橡胶试片；

图8为常温耐腐蚀实验结束，清洗后的聚甲醛试片、超高分子量聚乙烯试片、紫铜试片和丁腈橡胶试片。

具体实施方式

本发明的液态镓合金各组分及其含量的质量百分比如下：镓60%-75%、铟10%-25%、锡1%-11%、锌1%-8%。所述的原料镓的纯度>99%、原料铟的纯度>99%、原料锡的纯度>99%、原料锌的纯度>99%。

实施例1：

按照质量百分比量取75份纯度>99%的镓、10份纯度>99%的铟、7份纯度>99%的锡、8份纯度>99%的锌。先把镓加热至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中，然后再把铟、锡和锌倒入不锈钢容器中。在常温下，用不锈钢小勺进行混合搅拌，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。

1、测量所配制的液态镓合金凝固点：在常温下，把配置好的液态镓合金倒入小烧杯，把小烧杯放在铁架台上，用铁架台的铁夹夹住温度计的上端，使温度计的底部浸入液态镓合金中，温度计的底部不可以触到小烧杯的四壁；把铁架台放入冷库，冷库恒温-5°C，用不锈钢小勺每个1分钟搅拌一次液态镓合金，观察液态镓合金是否有固体，同时记录液态镓合金的固液状态和温度，直至液态镓合金完全凝固。然后分析所记录的温度值。如图1所示，放置在冷库后，液态镓合金的温度一直呈下降趋势，在液态镓合金固液混合状态时，温度保持的在5°C，完全凝固后温度才继续下降。所以实施例1所配制的液态镓合金凝固点为5°C。

2、测量所配制的液态镓合金密度：在常温下，先称重一个量筒进行，记录量筒质量值；然后把液态镓合金倒入量筒，把盛有液态镓合金的量筒再称重，记录此刻质量值和液态镓合金的体积值。用液态镓合金和量筒的质量减去量筒的质量的出量筒内液态镓合金的质量，然后用液态镓合金的质量除以液态镓合金的体积，即可求得液态镓合金的密度。实施例1所配制的液态镓合金密度的平均值为6.46g/cm³。

3、测量所配制的液态镓合金电导率：在常温下，用电导率测量仪测量本发明的液态镓合金的电导率，测得实施例1所配制的液态镓合金的电导率平均值为3.4×10⁶S/m。

4、测试所配制的液态镓合金对紫铜试片、铝试片、聚甲醛试片、丁腈橡胶试片和超高分子量聚乙烯试片的腐蚀性。

实验步骤如下：

（1）首先把配制好的液态镓合金，倒入6个不锈钢杯子中，把盖子盖上。

（2）用电子称分别把2个紫铜试片、1个铝试片、1个聚甲醛试片、1个超高分子聚乙烯试片和1对丁腈橡胶试片进行称重，记录每个试片的重量。

（3）把每个试片各放在一个不锈钢杯子里，每个试片完全浸泡在不锈钢杯子里的液态镓合金中，用盖子盖上，静置在常温20°C环境下。其中，铝试片、聚甲醛试片、超高分子聚乙烯试片和丁腈橡胶试片的密度都小于液态镓合金，如果不用东西压住这几种试片，则这几种试片会漂浮在液态镓合金上面，无法达到完全浸泡的效果。所以，在不锈钢杯子的盖子盖上时，用一根玻璃小棍下端按住试片，玻璃小棍的上端顶在不锈钢杯子的盖子上，使试片浸泡在液态镓合金中。

（4）浸泡紫铜的不锈钢杯子有两个，其中一个静置放在常温20°C环境下，另一个放在电磁炉上直接加热，用电子温度计监测不锈钢杯子的温度。持续加热至150°C左右，然后调整电磁炉功率，保持在150°C左右半个小时，然后停止加热，静置在常温20°C环境下。

（5）以上所有不锈钢杯子均静置两个月后，取出试片，进行拍照观察，清洗，然后用电子称称重，对比实验前后质量变化。

实验现象：

（1）高温耐腐蚀实验。实验前紫铜试片，如图2所示；实验结束，对紫铜试片进行清洗，清洗后的紫铜试片，如图3所示。通过图2和图3对比发现紫铜试片表面一部分面积被所配制的液态镓合金浸润，其余面积仍保持原有紫铜色。

（2）常温耐腐蚀实验。实验前铝试片，如图4a所示；实验后所配制的液态镓合金，如图4b所示；实验后铝试片，如图4c所示。刚把铝试片从所配制的液态镓合金里拿出来时，表面无明显腐蚀，但接触空气一段时间后变成乌黑的颜色，并且所配制的液态镓合金表面有一层灰色膜产生。然后用自来水对铝试片进行清洗，结果铝试片与自来水接触以后，发生了剧烈的放热反应，并将实验人员的橡胶手套烧穿，反应过程中产生的大量的气体。铝合金材料样品在反应过程中不断的膨胀发泡，最终变成黑色泥状物体。反应中还产生了小火苗，如图5所示。

（3）常温耐腐蚀实验。实验前的紫铜试片、聚甲醛试片、丁腈橡胶试片和超高分子量聚乙烯试片，如图6所示。

（4）常温耐腐蚀实验。实验结束后刚取出的紫铜试片、聚甲醛试片、超高分子量聚乙烯试片和丁腈橡胶试片，如图7所示。取出后发现这四种试片表面都无明显腐蚀痕迹。

（5）常温耐腐蚀实验。实验结束，清洗后的聚甲醛试片、超高分子量聚乙烯试片、紫铜试片和丁腈橡胶试片，如图8所示。经过清洗，发现这四种试片没有腐蚀痕迹，仍然保持原有状态。

实验结果：

在对这6个试片清洗后，由于实验后的铝试片与自来水完全反应，只剩下黑色的泥状物，所以没有对实验后的铝试片称重。其余5个试片则完好，则用电子称对聚甲醛试片、超高分子量聚乙烯试片、2个紫铜试片和1对丁腈橡胶试片进行称重，与实验之前的各自的质量进行对比，如表3所示。从表中可以看出这5个试片在腐蚀性实验前后，质量变化几乎可以忽略不计。

通过上述测试，实施例1采用本发明方法配制的液态镓合金对上述6个试片的腐蚀性为：所配制的液态镓合金对铝试片有明显的腐蚀性。所配制的液态镓合金在常温状态下对紫铜试片没有腐蚀性，在>150°C以上的高温环境下，对紫铜试片的腐蚀性仍然很低。对聚甲醛试片、聚乙烯试片和丁腈橡胶试片均没有任何腐蚀，所以可以作为液态金属磁流体发电机的发电工质使用。

实施例2：

按照质量百分比量取71.5份的纯度>99%镓、20份纯度>99%的铟、1份纯度>99%的锡、7.5份纯度>99%的锌。先把镓加热至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中，然后再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中。在常温下，用不锈钢小勺进行混合搅拌，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。

采用与第一实施例中同样的测试方法可得，实施例2配制的液态镓合金的物理特性如下：凝固点为5°C；常温20°C下，密度为6.46g/cm³，电导率为3.4×10⁶S/m。实施例2所配制液态镓合金对铝质有明显的腐蚀性；在常温状态下对紫铜没有腐蚀性，在>150°C以上的高温环境下，对紫铜的腐蚀性仍然很低；对聚甲醛、聚乙烯、丁腈橡胶均没有任何腐蚀。所以可以作为液态金属磁流体发电机的发电工质使用。

实施例3：

按照质量百分比量取68份纯度>99%的镓、18.5份纯度>99%的铟、11份纯度>99%的锡、2.5份纯度>99%的锌。先把镓加热至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中，然后再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中。在常温下，用不锈钢小勺进行混合搅拌，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。

采用与实施例中1同样的测试方法可得，实施例2配制的液态镓合金的物理特性如下：凝固点为5°C；常温20°C下，密度为6.46g/cm³，电导率为3.4×10⁶S/m。实施例3配制的液态镓合金对铝质有明显的腐蚀性；在常温状态下对紫铜没有腐蚀性，在>150°C以上的高温环境下，对紫铜的腐蚀性仍然很低；对聚甲醛、聚乙烯、丁腈橡胶均没有任何腐蚀。所以可以作为液态金属磁流体发电机的发电工质使用。

实施例4：

按照质量百分比量取65.5份纯度>99%的镓、24份纯度>99%的铟、9.5份纯度>99%的锡、1份纯度>99%的锌。先把镓加热至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中，然后再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中。在常温下，用不锈钢小勺进行混合搅拌，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。

采用与第一实施例中相同的测试方法可得，实施例4配制的液态镓合金的物理特性如下：凝固点为5°C；常温20°C下，密度为6.46g/cm³，电导率为3.4×10⁶S/m。实施例4配制的液态镓合金对铝质有明显的腐蚀性；在常温状态下对紫铜没有腐蚀性，在>150°C以上的高温环境下，对紫铜的腐蚀性仍然很低；对聚甲醛、聚乙烯、丁腈橡胶均没有任何腐蚀。所以可以作为液态金属磁流体发电机的发电工质使用。

实施例5：

按照质量百分比量取60份纯度>99%的镓、25份纯度>99%的铟、10.5份纯度>99%的锡、4.5份纯度>99%的锌。先把镓加热至29°C，使其熔化，停止加热，把液态镓倒入不锈钢容器中，然后再把铟、锡和锌倒入该不锈钢容器中。在常温下，用不锈钢小勺进行混合搅拌，直至四种原料物完全相溶为液体，即配制成本发明的液态镓合金。

表1为本发明的液态镓合金密度测试值。

表2为本发明的液态镓合金电导率测试值。

表3为耐腐蚀实验前后各种试片的质量对比。

表1

表2

表3

Claims

1.一种液态镓合金，其特征在于，所述的液态镓合金各组分及其质量百分比含量为：镓60％-75％、铟10％-25％、锡1％-11％、锌1％-8％；所述的液态镓合金凝固点为5℃，常温20℃下，密度为6.46g/cm³，电导率为3.3×10⁶S/m～3.5×10⁶S/m；在常温20℃，对紫铜、聚甲醛、聚乙烯和丁腈橡胶均没有腐蚀性，所述的液态镓合金用作液态金属磁流体发电机的发电工质。