CN107687992B - 一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发提出了一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统及方法，系统主要包括反应容器、介质溶液、液态金属液滴、金属丝等部分，该系统利用多种金属原电池效应为主要调控手段，改变液态金属表面电荷分布情况，从而对液态金属表面张力进行定量调控。通过控制金属丝的种类、尺寸及形状以及介质溶液的种类、浓度等各项基本参数，即可达到定量控制液态金属液滴表面张力的作用。相比于传统的用于改变液态金属液滴张力的电润湿方法，该方法不需要外加电场，操作简便，适用范围更广。此外，经该方法处理的液态金属表面氧化层的力学性质及光学性质均较传统方法的有所改善，对液态金属的应用有着重要的意义。

Description

一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统及方法
技术领域
本发明属于液态金属技术领域，特别涉及一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统及方法。
背景技术
表面张力与浸润性有着密不可分的关系。液态金属的表面张力巨大，其液滴在表面张力的作用下往往以球形存在，几乎不浸润其他材料。在实际的科学与工业应用中，人们往往对液态金属的浸润性有着不同的要求，这使得如何实现对液态金属表面张力的定量调控成为了研究的热点。
现有的调控液态金属表面张力主要途径是电润湿法。电润湿法的原理是通过外加电场改变液态金属液滴表面的电荷排布，从而使液态金属的表面张力降低，改变其浸润性。该种方法虽然有效，但需要外加较强的电场，限制了液态金属在无法外加电场的场景(如生物体内等)中的应用；此外，外加电场会使液态金属的表面剧烈氧化，对其性质造成一定的影响。如果能在无外加电场的情况下实现对液态金属表面张力的定量调控，无疑对液态金属在各领域的进一步应用有着极为重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统及方法，利用多种金属原电池效应为主要调控手段，通过在电解液中外加与两根液态金属液滴相接触的金属丝，使液态金属及金属丝构成多金属原电池，引起液态金属表面电荷排布的变化，从而改变其表面张力。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统，包括反应容器1，反应容器1中有介质溶液2，待测的液态金属液滴3浸没在介质溶液2中，在液态金属液滴3两侧分别布置有一根金属丝4，金属丝4与液态金属液滴3接触，且两根金属丝4相互不接触，所述介质溶液2为能够与液态金属液滴3或金属丝4反应的电解质溶液，以提供液态金属液滴3和金属丝4形成的原电池的反应环境。
所述金属丝4的材质为铜、镍或铁等常见金属，金属丝4的直径一般为0.5毫米，形状一般为直线型，以上各参数均可按照实际需求进行调节。
所述液态金属液滴3为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。其它组分的低熔点金属，如汞、铋，及合金，如镓铟锡合金、铋铟锡合金，也可应用该系统进行表面张力调控。
所述介质溶液2一般为氢氧化钠溶液，其他性质的可与液态金属液滴或金属丝反应的电解质溶液，如氯化钠溶液、盐酸溶液等也可用于此调控系统，主要用来提供原电池反应的环境。
所述反应容器1用于容纳液态金属液滴3、介质溶液2及金属丝4，形状、材质及尺寸等可根据实际应用自由选择。
本发明无外场情况下液态金属表面张力的调控方法，将待测的液态金属以液滴形式浸没于电解质溶液中，在液态金属液滴的两侧分别布置一根金属丝，金属丝与液态金属液滴接触且两根金属丝相互不接触，从而形成液态金属液滴-金属丝原电池，并在电解质溶液中反应，随着反应的进行，液态金属液滴表面的电荷排布发生变化，从而改变表面张力，通过控制反应的时间，根据液滴的表面形状曲率实时计算出此时液态金属液滴的表面张力。
所述液态金属液滴的表面曲率利用图像分析法得到。
综上所述，本发明提出了一种基于液态金属液滴-金属丝原电池的液态金属表面张力调控系统及方法。利用液态金属液滴-金属丝电极在介质溶液中的原电池效应改变液态金属表面的电荷排布，最终改变液态金属液滴的表面张力。通过控制液态金属液滴-金属丝原电池的反应时间或金属丝、介质溶液的各项参数可以实现对液态金属表面张力的精确定量调控。
与现有技术相比，本发明不仅可以实现在无外加场情况下改变液态金属的表面张力，从而改变其浸润性，还可以通过改变该系统中外加金属丝的种类、粗细及形状等各项参数来对其表面张力进行定量调控。此外，应用此系统处理后的液态金属表面氧化膜更为致密光亮，具有更好的光学性质及力学性质。
附图说明
图1是本发明无外场情况下的液态金属表面张力调控系统的整体示意图
图2是本发明液态金属表面张力调控系统在形成液态金属液滴-金属丝原电池后表面张力改变后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1，本发明液态金属表面张力调控系统主要由反应容器1、介质溶液2、液态金属液滴3、金属丝4等部分组成。反应容器1可根据实际情况自行选择，一般采用塑料、玻璃等不与液态金属反应的材质。介质溶液2盛装在反应容器1内，具有一定高度，可浸没液态金属液滴3，选取的溶液须能与液态金属或金属丝其中的某种或某几种进行反应，一般采用质量分数为2％的氢氧化钠溶液。液态金属液滴3及金属丝4位于反应容器1的底部。液态金属液滴3为待调控物质，一般采用共晶镓铟合金。金属丝4位于液态金属液滴3的两侧，且与液态金属液滴3接触，但两根金属丝4之间彼此不接触，可相互平行，金属丝4的材质、粗细及形状等可根据所需表面张力自行选择，常用的有直径为0.5mm的直铁、铜及镍丝。
参考附图2，本发明液态金属表面张力调控系统在使用过程中，首先需要将一定量的介质溶液2注入反应容器1中，再将待调控的液态金属液滴3置于反应容器1的底部平面，待液态金属液滴3静止后，将两根金属丝4分别置于液态金属液滴3的两侧，调整位置使之与液态金属液滴3相接触，两根金属丝4间不相互接触。液态金属液滴3及金属丝4在介质溶液2中共同构成了多金属原电池系统，开始进行反应，可以观察到液态金属液滴3或金属丝4表面有小的气泡产生。
随着反应的进一步进行，液态金属液滴3表面的电荷排布发生变化，从而改变其表面张力。通过控制反应的时间，就可以根据液滴的表面形状曲率实时计算出此时液态金属液滴3的表面张力。液态金属液滴3表面曲率可以利用图像分析的方法得到，从而计算出表面张力。
此处使用的表面张力测量法为停滴图像分析法。首先利用与液态金属液滴所处高度相同的CCD图像处理模块记录下液态金属液滴的表面轮廓，根据所得的表面轮廓图像利用Bashforth-Adams方程式进行分析，具体方程式如下
Figure BDA0001368868620000041
其中，γ为液滴表面张力系数，ρ1、ρ2为介质溶液及液态金属液滴密度，g为重力加速度，β为形状因子，b为大小因子。形状因子β、大小因子b均可通过对所得液滴图像中液滴外轮廓的曲线拟合得到，具体拟合方程如下。
Figure BDA0001368868620000042
其中x，y为液滴外轮廓坐标。现在各种商业表面张力测量软件中均已有较成熟的此算法，可以根据自己的需要选取软件来进行处理。
本发明中，可以通过调节液态金属液滴-金属丝原电池反应的时间、金属丝的粗细与种类及介质溶液等来精准调控液态金属表面张力大小，实现无外场作用下液态金属表面张力的精确调控。
此外，经此方法处理后的液态金属液滴表面氧化层较空气中自然生成的氧化层的韧度、强度等均有所改善，且光学反射率大大高于空气中自然生成的氧化层。这对于液态金属在透镜制造、雷达天线以及印刷电子、增材制造和生物医药等方面的应用有着很大的促进作用。
几种可行的应用实施例如下。
实施例1：在液态金属印刷电路中的应用
液态金属表面张力很高，在空气或介质溶液中一般收缩成球形，这使得印刷过程中液态金属对基底的浸润性及粘附性不尽如意，会影响电路在基底上的牢固性。如应用本发明中所提出的液态金属表面张力调控方法，在打印电路之前首先使用金属丝及介质溶液对液态金属进行表面张力预调控处理，降低液态金属的表面张力并在其表面形成光亮的氧化膜，会大大改善金属对基底的粘附性与浸润性，增加成品电路的可靠度，同时保留液态金属优良的导电性和导热性。
实施例2：在液态金属血管机器人中的应用
血管柔性机器人是液态金属的又一重要应用领域之一，在该项应用中需要对液态金属的形态进行控制。现有的改变液态金属形态的主要方式是通过电场进行调控，但在生物体内施加电场无疑会增加风险及痛苦。如果利用本发明方法，在液态金属血管机器人结构中预置两根金属丝，即可通过控制金属丝与液态金属的接触从而控制液态金属的表面张力，最终达到控制液态金属血管机器人形态的目的。
以上所述的仅是本发明优选实施方案，该液态金属表面张力调控系统的各组成部分，即反应容器1、介质溶液2、液态金属液滴3、金属丝4等的参数如材质、尺寸及形状等均可根据实验的需要进行修改。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无外场情况下液态金属表面张力的调控系统，其特征在于，包括反应容器（1），反应容器（1）中有介质溶液（2），待测的液态金属液滴（3）浸没在介质溶液（2）中，在液态金属液滴（3）两侧分别布置有一根金属丝（4），金属丝（4）与液态金属液滴（3）接触，且两根金属丝（4）相互不接触，所述介质溶液（2）为能够与液态金属液滴（3）但不与金属丝（4）反应的电解质溶液，以提供液态金属液滴（3）和金属丝（4）形成的原电池的反应环境，通过控制液态金属液滴-金属丝原电池的反应时间或金属丝、介质溶液的各项参数实现对液态金属表面张力的精确定量调控，所述金属丝的参数包括金属丝的种类、粗细及形状，所述介质溶液（2）为氯化钠溶液，所述金属丝（4）的材质为铜、镍或铁。
2.根据权利要求1所述无外场情况下液态金属表面张力的调控系统，其特征在于，所述金属丝（4）的直径为0.5毫米，形状为直线型。
3.根据权利要求1所述无外场情况下液态金属表面张力的调控系统，其特征在于，所述液态金属液滴（3）为共晶镓铟合金，由质量分数为75.5%的镓和24.5%的铟组成。
4.根据权利要求1所述无外场情况下液态金属表面张力的调控系统，其特征在于，所述液态金属液滴（3）为镓铟锡合金或铋铟锡合金。
5.一种无外场情况下液态金属表面张力的调控方法，其特征在于，将待测的液态金属以液滴形式浸没于电解质溶液中，在液态金属液滴的两侧分别布置一根金属丝，金属丝与液态金属液滴接触且两根金属丝相互不接触，从而形成液态金属液滴-金属丝原电池，并在电解质溶液中反应，随着反应的进行，液态金属液滴表面的电荷排布发生变化，从而改变表面张力，通过控制反应的时间，根据液滴的表面形状曲率实时计算出此时液态金属液滴的表面张力，通过控制液态金属液滴-金属丝原电池的反应时间或金属丝、介质溶液的各项参数实现对液态金属表面张力的精确定量调控，所述金属丝的参数包括金属丝的种类、粗细及形状，所述介质溶液为氯化钠溶液，所述金属丝的材质为铜、镍或铁。
6.根据权利要求5所述无外场情况下液态金属表面张力的调控方法，其特征在于，所述液态金属液滴的表面曲率利用图像分析法得到。
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