CN104561721A - 一种具有低熔化温度的室温液态合金、制备工艺及体温计 - Google Patents
一种具有低熔化温度的室温液态合金、制备工艺及体温计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有低熔化温度的室温液态合金、制备工艺及体温计。目的是提供一种具有极低熔化温度的室温液态合金及其制备工艺，在低温环境能够稳定的保持液态，确保使用合金的器件在较低的环境温度下能够正常工作。方案：一种具有低熔化温度的室温液态合金，它由以下重量百分比的组份组成：镓60-80％、铟9-22％、锡5-18％、银0.2～3％。发明可应用在IT器件的制冷或是高端单晶合金材料的定向凝固等。
Description
技术领域
本发明涉及尖端制冷和医疗器械等领域，具体是一种高端热传输介质材料或热敏介质材料，可应用在IT器件的制冷或是高端单晶合金材料的定向凝固等。
背景技术
镓-铟-锡三元共晶合金具有很低的熔化温度，以此为基础开发出了一系列室温液态合金体系，在医疗器械和尖端制冷领域有广泛的应用前景。比如体温温度计产业，由于水银污染严重，包括中国在内的超过140个国家联合出台了限制汞排放的国际公约——《国际防治汞污染公约》。公约规定：“2020年前应逐步淘汰含汞的温度计、血压计”。使用绿色环保的镓-铟-锡液态金属(合金)作为温度响应材料的常规温度计具有电子温度计和一次性化学温度计不可比拟的优势，比如：数据精准、操作方面、响应速度快和价格低廉等。因此，开发优质的镓基液态合金替代体温温度计中的汞，具有十分重要的环保和商业价值。此外，使用镓基室温液态合金作为热传导介质的科技报道也有很多，主要应用在IT器件的制冷或是高端单晶合金材料的定向凝固等。
现有的各类文献报道的镓-铟-锡三元共晶合金的具体成分和熔点温度各不相同，由表1说明。
表1 现有文献报道的各种镓-铟-锡成分及熔点
以镓铟锡三元共晶合金为主成分的合金体系在室温下显示为液态，可以用于诸多医疗、制冷等工业领域，实验发现其熔化温度在10℃左右，对于较低温领域的使用有一定的限制。从实际应用的角度，镓-铟-锡合金体系的优化还有很大的需求空间，特别是熔化温度与水银相比还是偏高。一旦使用镓铟锡三元合金的器件所处的环境温度过低，镓基液态合金在凝固过程中容易膨胀并导致器件的失效和损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有极低熔化温度的室温液态合金及其制备工艺，在低温环境能够稳定的保持液态，确保使用本合金的器件在较低的环境温度下能够正常工作。
本发明的另一个目的是提供一种包含这种室温液态合金的体温计。
本发明所采用的技术方案是：一种具有低熔化温度的室温液态合金，它由以下重量百分比的组份组成：
优选的，它由以下重量百分比的组份组成：
优选的，所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
一种具有低熔化温度的室温液态合金的制备工艺，包括如下步骤：按镓60-80％、铟9-22％、锡5-18％、银0.2～3％的配比(重量百分比)将它们一起放入真空感应熔炼炉中，在隔绝空气条件下，加热至900-1500℃使各金属熔化成整体；将熔化成整体的合金在750-900℃温度下精炼至完全均匀化，冷却后解除空气隔绝即可。
优选的，所述镓、铟、锡、银的配比(重量百分比)为，
优选的，所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
优选的，所述隔绝空气的方式为：对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，或者先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，然后向真空感应熔炼炉内加入惰性气体作为保护气体，加压至0.5-0.8个大气压。
优选的，所述惰性气体为氮气或氩气。
一种无汞体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有感温液体，所述感温液体由以下重量百分比的组份组成：
优选的，所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
本发明有益效果在于：现有镓基合金通常具有极大的过冷度，即凝固温度比熔化温度低很多，可以达到50℃以上。合金处于凝固温度和熔化温度之间时，尽管保持液态但是并不稳定，即凝固温度不能作为合金保持液态的判据。通常材料学中使用材料从固体升温过程中的熔化开始温度表示材料液态热力学稳定温度，因此本发明中使用合金的熔化开始温度作为证明合金液相稳定温度的判据。通过系列的实验(通过热分析技术对熔化和凝固相变温度进行分析)证明，本发明提供的镓基液态合金材料的熔化温度达到-25℃以下，低于目前文献报道的数据；即本发明液态合金在-25℃以上可以保持稳定的液态结构，有助于其在更大范围内得以推广。
附图说明
图1是实施例1镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图2是实施例2镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图3是实施例3镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图4是实施例4镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图5是实施例5镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图6是实施例6镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
图7是实施例7镓铟锡银四元液态合金的凝固温度热分析测试图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征和实际效果进行更加清楚的说明，下面参照具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
本发明基于对镓基液态合金体系原子团簇行为对凝固行为的影响规律进行设计，用热力学理论和热分析实验论证表明，该液态合金在-25℃以上可以保持稳定的液态结构。
实施例1
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 19.5％；
锡 9.3％；
银 0.7％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至900℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在750℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；冷却后才解除真空取出液态合金，降低氧化程度。获得的液态合金与空气接触的表层会有一层稳定的氧化膜形成，并阻止液态合金的进一步氧化。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固结晶温度，得到结果图1所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，熔化开始温度为-27.3℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-27.3℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例2
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 14.1％；
锡 13.3％；
银 1.5％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa，然后向熔炼炉中加入高纯氩气，加至0.6个大气压左右；开始加热，金属混合体加热至1050℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在800℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；自然冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固结晶温度，得到结果图2所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，开始熔化温度为-26.4℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-26.4℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例3
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 17.5％；
锡 10.8％；
银 2.8％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至1250℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在900℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；完全冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固结晶温度，得到结果图3所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，熔化开始温度为-27.6℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-27.6℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例4
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 16.5％；
锡 11.3％；
银 2.4％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至1040℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在820℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；完全冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固和熔化温度，降温过程的凝固温度由放热峰表示，升温过程的熔化温度用吸热峰表示，结果如图4所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，开始熔化温度为-27.5℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-27.5℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例5
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 19.2％；
锡 12.3％；
银 2.0％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至1150℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在860℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；完全冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固和熔化温度，降温过程的凝固温度由放热峰表示，升温过程的熔化温度用吸热峰表示，结果如图5所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，开始熔化温度为-27.4℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-27.4℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例6
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 12.9％；
锡 17.3％；
银 0.7％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至1100℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在800℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；完全冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固和熔化温度，降温过程的凝固温度由放热峰表示，升温过程的熔化温度用吸热峰表示，结果如图6所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，开始熔化温度为-27.7℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-27.7℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。
实施例7
本实施例液态合金组份及配比(重量百分比)如下：
铟 19.7％；
锡 10.3％；
银 2.5％；
其余为镓。
制备工艺为：
将镓、铟、锡和银四种高纯金属(纯度均在99.9％以上)按照以上配方要求进行配制，一起放入真空感应熔炼炉(其坩埚为石英坩埚，能够避免污染合金熔体)中，熔炼之前先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为2*10-3Pa；开始加热，金属混合体加热至1000℃，使各类金属熔化成整体；此时降低加热功率，将熔化成整体的合金在800℃温度下精炼一分钟达到完全均匀化，然后关闭加热电源；完全冷却后解除真空取出液态合金。
通过差热扫描热分析(DSC)测试其凝固和熔化温度，降温过程的凝固温度由放热峰表示，升温过程的熔化温度用吸热峰表示，结果如图7所示；由热分析测试数据可知，本配方合金降温过程中先发生凝固结晶行为，随后的升温过程中发生熔化行为，开始熔化温度为-29.2℃。
利用本实施例液态合金代替汞来制作的体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有本实施例所述液态合金作为感温液体，能够在-29.2℃以上正常使用，具有温度适用范围广、环保的优点。10 -->
Claims (10)
1.一种具有低熔化温度的室温液态合金，其特征在于它由以下重量百分比的组份组成：
2.根据权利要求1所述的具有低熔化温度的室温液态合金，其特征在于它由以下重量百分比的组份组成：
3.根据权利要求1或2所述的具有低熔化温度的室温液态合金，其特征在于：所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
4.一种具有低熔化温度的室温液态合金的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：按镓60-80％、铟9-22％、锡5-18％、银0.2～3％的配比(重量百分比)将它们一起放入真空感应熔炼炉中，在隔绝空气条件下，加热至900-1500℃使各金属熔化成整体；将熔化成整体的合金在750-900℃温度下精炼至完全均匀化，冷却后解除空气隔绝即可。
5.根据权利要求4所述的液态合金的制备工艺，其特征在于：所述镓、铟、锡、银的配比(重量百分比)为，
6.根据权利要求4或5所述的液态合金的制备工艺，其特征在于：所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
7.根据权利要求4或5所述的液态合金的制备工艺，其特征在于，所述隔绝空气的方式为：对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，或者先对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，然后向真空感应熔炼炉内加入惰性气体作为保护气体，加压至0.5-0.8个大气压。
8.根据权利要求7所述的液态合金的制备工艺，其特征在于：所述惰性气体为氮气或氩气。
9.一种无汞体温计，包括体温计管体和感温泡，其中体温计管体内沿其轴向设置有毛细管，该毛细管与感温泡之间构成缩颈连接，所述感温泡内填充有感温液体，其特征在于：所述感温液体由以下重量百分比的组份组成：
10.根据权利要求9所述的无汞体温计，其特征在于：所述液态合金的熔化开始温度为-30℃～-25℃。
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