CN104711470B - 一种镓基室温液态合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括：镓65‑70wt%；铟17.5‑25wt%；锡5‑15 wt%；硒0.5‑2wt%。本发明的镓基室温液态合金采用真空感应熔炼法制备，该镓基室温液态合金在保持良好的流动性和热导率的同时，在降温过程中的凝固结晶温度达到将近‑30℃，在‑28℃的温度条件下保存24小时以上不发生凝固结晶行为。该镓基室温液态合金可应用于制造新型无汞温度计，且扩大了无汞环保温度计的使用范围。

Description

一种镓基室温液态合金
技术领域
本发明使涉及一种镓基室温液态合金，特别是涉及一种用于无汞环保体温温度计的镓基室温液态合金。
背景技术
目前，在医疗行业使用的体温温度计主要使用汞（水银）作为温度响应材料。但是汞本身带有极强的毒性，在生产环节和后处理过程中均会对周围环境造成十分恶劣的影响。2013年1月19日，联合国环境规划署正式宣布：超过140个国家就全球第一部限制汞排放的国际公约——《国际防治汞污染公约》达成一致。公约规定：“2020年前应逐步淘汰含汞的温度计、血压计”。目前，世界卫生组织已建立起一个全球的汞消除计划，目标是在2017年全球减少含汞体温计和血压计需求的70%。但是使用液态金属（合金）作为温度响应材料的常规温度计仍然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，开发一种室温液态合金用以温度响应材料从而替代汞，具有十分重要的环保和商业价值。
现有技术发现镓-铟-锡合金的凝固温度很低，在体温测量范围内可以保持液态，可作为汞的优良替代合金。但是各类文献报道的熔点温度各不相同，详见表1。
表1 现有文献报道的各种镓-铟-锡成分及熔点
从以上数据统计可知，目前对于镓-铟-锡合金体系的优化还有很大的需求空间，特别是对结晶凝固温度的限制。因为如果放置温度计的环境温度过低，镓基液态合金在凝固时容易膨胀并导致温度计损坏。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新型镓基室温液态合金，在保持良好的流动性和热导率的同时，进一步降低凝固结晶温度，使其满足无汞环保体温温度计的使用条件。此外，本发明还提供了所述镓基室温液态合金的制备方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用以下技术方案，所述镓基室温液态合金按重量百分比，包括如下组分：
镓Ga 65-70wt%；
铟In 17.5-25wt%；
锡Sn 5-15wt%；
硒Se 0.5-2wt%。
较佳的，所述镓基室温液态合金中，所述镓、铟、锡和硒元素的重量百分比之和至少为88.0wt%。
较佳的，所述镓基室温液态合金还包括锌元素和银元素中的至少一种。较佳的，所述锌和银的重量百分比之和不超过12.0wt%，优选为0.6-1.3wt%。其中，一种优选的方式为：所述镓基室温液态合金包括锌元素和银元素，其中锌（Zn）的重量百分比为0.2-0.6wt%；银（Ag）的重量百分比为0.5-1.1wt%；
优选的，所述的镓基室温液态合金，按重量百分比组成为：
最佳的，所述的镓基室温液态合金，按重量百分比组分为：
本发明的镓基室温液态合金可采用真空感应熔炼法制备。
具体的，可包括下列步骤：
1）按配比，将原料放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至10-3P以上，升温至250-450℃，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至100-200℃进行精炼使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
步骤2）中，真空感应熔炼炉在250-450℃下的熔炼时间为2-10分钟。
步骤3）中，所述精炼时间为0.5-1.5分钟。
较佳的，所用原料纯度在99.9%以上。按配方，所述原料可选自：高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒、高纯金属银和高纯金属锌。
本发明的镓基室温液态合金可用于制造温度计。在制造温度计时，本发明的镓基室温液态合金可替代汞，用作温度计中的感温液。较佳的，所述温度计为体温计或环境温度计。
本发明还公开了一种体温计，其感温液为本发明的镓基室温液态合金。
本发明还公开了一种环境温度计，其感温液为本发明的镓基室温液态合金。
本发明提供的一种镓基室温液态合金材料与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）在降温过程中，本发明的镓基室温液态合金的凝固结晶温度可达到将近-30℃，可在-28℃的温度条件下保存24小时以上不发生凝固结晶行为，扩大了温度计的使用范围。
（2）在体温温度计可测量范围内，本发明的镓基室温液态合金能够保持良好的粘度、热膨胀率稳定性，从而满足温度计的使用要求。
附图说明
图1显示为本发明实施例1所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
图2显示为本发明实施例1所得镓基室温液态合金的粘度与温度的关系图。
图3显示为本发明实施例1所得镓基室温液态合金的相对热膨胀率与温度的关系图。
图4显示为本发明实施例2所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
图5显示为本发明实施例3所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
图6显示为本发明实施例4所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
图7显示为本发明实施例5所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
图8显示为本发明实施例6所得镓基室温液态合金的凝固温度热分析测试结果。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明。
实施例1
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒、高纯金属银和高纯金属锌（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至350℃，熔炼5分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至150℃进行精炼1分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图1所示。由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-30.2℃；在DSC中设置温度为-27.5℃的条件下放置24小时，结果表明该合金没有凝固结晶行为。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果如图2所示。结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果图3所示。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
实施例2
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒、高纯金属银和高纯金属锌（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至350℃，熔炼5分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至150℃进行精炼1分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图4所示，由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-32.2℃。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
实施例3
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒、高纯金属银和高纯金属锌（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至350℃，熔炼5分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至150℃进行精炼1分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图5所示，由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-29.9℃。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
实施例4
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
铟In 21.1wt%；
锡Sn 11.9wt%；
硒Se 0.7wt%；
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡和高纯硒（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至450℃，熔炼2分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至100℃进行精炼1.5分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图6所示，由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-28.6℃。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
实施例5
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
铟In 20.4wt%；
锡Sn 10.8wt%；
硒Se 1.1wt%；
银Ag 0.6wt%；
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒和高纯金属银（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至250℃，熔炼10分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至200℃进行精炼0.5分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图7所示，由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-29.2℃。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
实施例6
一种镓基室温液态合金，按重量百分比，包括如下组分：
铟In 22.0wt%；
锡Sn 10.1wt%；
硒Se 0.8wt%；
锌Zn 1.2wt%；
其余为镓
上述镓基室温液态合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按配比，将原料高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒和高纯金属锌（纯度均在99.9%以上）放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至2*10-3P以上，升温至350℃，熔炼5分钟，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至150℃进行精炼1分钟，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
采用差热扫描热分析（DSC）测试上述镓基室温液态合金的凝固结晶温度，结果如图8所示，由热分析测试数据可知，本配方合金在降温过程中的凝固结晶温度为-28.5℃。
采用回转振动式高温熔体粘度仪对上述镓基室温液态合金进行粘度测试，结果表明，在10℃～50℃之间，液态合金的粘度基本呈现为线性，符合温度计实际使用过程中对反应速率的要求。
采用真空玻璃柱封装液态金属后，并通过水浴控温技术，测量了上述镓基室温液态合金的相对热膨胀率。结果表明，上述镓基室温液态合金在10℃～100℃之间，液态合金的热膨胀率保持线性，符合实际使用要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种镓基室温液态合金，按重量百分比，由如下组分组成：
镓Ga 67-69wt%；
铟In 18-20wt%；
锡Sn 10-12wt%；
硒Se 0.9-1.1wt%；
锌Zn 0.2-0.6 wt%；
银Ag 0.5-1.1 wt%；
所述镓、铟、锡和硒元素的重量百分比之和至少为88.0wt%。
2.根据权利要求1所述的镓基室温液态合金，其特征在于，所述锌和银的重量百分比之和为 0.7-1.3wt%。
3.根据权利要求1所述的镓基室温液态合金，其特征在于，按重量百分比，包括如下组分：
镓Ga 68.2wt%；
铟In 19.5wt%；
锡Sn 10.3wt%；
硒Se 1wt%；
锌Zn 0.3wt%；
银Ag 0.7wt%。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的镓基室温液态合金的制备方法，为采用真空感应熔炼法制备，所述制备方法具体包括下列步骤：
1）按配比，将原料放入真空感应熔炼炉中；
2）熔炼：真空感应熔炼炉抽真空至10-3P 以上，升温至250-450℃，使各原料熔成一体；
3）精炼：降温至100-200℃进行精炼，使其达到完全均匀化；
4）冷却后得所述镓基液态合金。
5.根据权利要求4所述的镓基室温液态合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，所用原料纯度在99.9% 以上，所述原料选自：高纯金属镓、高纯金属铟、高纯金属锡、高纯硒、高纯金属银和高纯金属锌。
6.根据权利要求4所述的镓基室温液态合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括下列特征中的至少一项：所述步骤2）中，真空感应熔炼炉在250-450℃下的熔炼时间为2-10分钟；所述步骤3）中，所述精炼时间为0.5-1.5 分钟。
7.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的镓基室温液态合金的用途，其特征在于，所述镓基室温液态合金用作温度计中的感温液。
8.一种温度计，其特征在于，所述温度计的感温液采用权利要求1-3任一项权利要求所述的镓基室温液态合金，所述温度计为体温计或环境温度计。
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