CN108766613A - 一种基于液态金属的多功能复合流体 - Google Patents

Abstract

一种基于液态金属的多功能复合流体，由液态金属、溶剂、溶质和纳米添加物组成，以液态金属的质量为基准，溶剂的质量与液态金属质量比为0.5～1.5，溶质溶解在溶剂后所得溶液的摩尔浓度为0.1～5mol/L，纳米添加物为一种或多种，其质量占复合流体总质量的1～20％；复合导电流体不但可以迁移离子，而且可以直接传导电子，极大提高了导电效率；同时还具有双电层效应，有望发挥超级电容的高倍率特性；基于液态金属的多功能复合流体还具有良好的导热性；不但可以简单的用作导电剂，更可以根据不同纳米添加物实现更加广泛的独特功能，可广泛的应用于各领域，诸如电控变形材料、柔性电子、柔性机器、电防护材料、自然仿生等。

Description

一种基于液态金属的多功能复合流体

技术领域

本发明属于导电流体技术领域，特别涉及一种基于液态金属的多功能复合流体。

背景技术

液体是自然界中物质存在的一种形态，自然界中存在各种各样的功能各奇特的液体，细胞质基质也是一种多功能的混合复合体，细胞基质又称作胞质溶液，其包括水、无机离子、脂类、糖类、氨基酸、核苷酸以及蛋白质等，正是这种复杂成分的混合液为细胞器提供了稳定的微环境以及各种所需的物质，同时这种复合液体也是细胞新陈代谢的主要场所。

在自然界的启发下，拥有多种复杂功能物质势必不是单纯某一种或几种物质组成的，而是多种多样不同形态、不同功能的物质协同一致的匹配在一起共同作用组成的；液态金属是近年来一种新兴的材料，由于其优异的属性使其在各领域备受关注，其中常温成液态的性质更是那么贴切自然。

现有的液态导电体主要为导电剂，导电剂主要用于电极，保正电极的充放电功能，其主要效用在于：导电剂的加入起到收集微电流的作用，可以减少接触电阻加速电子的移动速率，能有效提高材料中的离子迁移速率。然而现有的液态导电剂材料，功能单一，应用面狭小,绝大多数仅做增强电极用，少部分用于静电防护，且仅能迁移离子，无法直接传导电子。

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了一种基于液态金属的多功能复合流体，不但在传电、传热领域有着广泛应用前景，在自然仿生领域同样潜力巨大。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于液态金属的多功能复合流体，由液态金属、溶剂、溶质和纳米添加物组成，以液态金属的质量为基准，溶剂的质量与液态金属质量比为0.5～1.5，溶质溶解在溶剂后所得溶液的摩尔浓度为0.1～5mol/L，纳米添加物为一种或多种，其质量占复合流体总质量的1～20％。

所述的液态金属兼具导电导热性，电子与热能量借助液态金属在多功复合流体中传导；所述的溶剂用于溶解溶质，并提供液体环境与液态金属混合形成液态混合体；所述的溶质完全溶解于溶剂中，为溶液提供溶解离子，实现溶液离子电流传导；所述的纳米添加物用于添加至复合流体中，使复合流体具有一些优良的导电性(可同时传导离子与电子)、导热性、柔性、可变形性，或使复合流体的某些性能在纳米添加物的作用下得到改善与增强。

所述的液态金属为常温呈液态的金属单质或者二元合金、多元合金中的一种或多种；具体为单质镓，或为镓与铟、锌、铋、锡金属形成的二元、三元及多元合金，或为镓锡、镓铟、镓铟锌、镓铟铋、镓铟锡锌、镓铟锡铋合金。

所述的溶剂为无机溶剂或有机溶剂，无机溶剂为水、液氨、盐酸、氢氧化钠溶液或无机酸；有机溶剂为甲醇、乙醇、苯乙烯或乙烯乙二醇。

所述的溶质为金属单质或可溶性强电解质化合物，金属单质为铁、钠、钾、铝或镁；可溶性强电解质化合物为氯化钠、氯化银、碘化银或氯化铁。

所述的纳米添加物为纳米铁粉、纳米铜粉、碳纳米管、纳米银、纳米镁粉、纳米铝粉的一种或几种。

一种基于液态金属的多功能复合流体的制备方法，包括以下步骤：

1)称取配置好的液态金属于烧杯中；

2)称取液态金属质量50％-150％的溶剂于另一烧杯中；

3)分别称取一种或几种溶质于步骤2)盛有溶剂的烧杯中，其中称取的溶质的质量为完全溶解在溶剂中后，溶质的摩尔浓度在0.1～5mol/L，并用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；

4)将步骤3)配置得到的溶液倒入步骤1)盛有液态金属的烧杯中，并用玻璃棒搅拌，使其初步混合；

5)给步骤4)的初步混合液添加一种或多种质量为混合流体质量1～20％的纳米颗粒，并充分搅拌混分；

6)将步骤5)所得混合流体置入超声中操5分钟，使混合流体均匀操碎，混合的更加均匀，获得最终的基于液态金属的多功能复合流体。

本发明的有益效果为：

本发明基于液态金属的复合导电流体，不但可以迁移离子，而且可以直接传导电子，极大提高了导电效率；同时还具有双电层效应，有望发挥超级电容的高倍率特性；基于液态金属的多功能复合流体还具有良好的导热性；不但可以简单的用作导电剂，更可以根据不同纳米添加物实现更加广泛的独特功能，可广泛的应用于各领域，诸如电控变形材料、柔性电子、柔性机器、电防护材料、自然仿生等。

本发明基于液态金属的多功能复合流体制造简单，常温下呈液态，且具有优良的电子与离子的传到能力，可作为一种新型导电液，在液体导电，柔性电子方面具有巨大的潜能；

该基于液态金属的多功能复合流体可根据不同应用场所与情景添加一种或多种不同纳米添加物，使液态金属具有更突触与应用场所相匹配的功能。

附图说明

图1为本发明实施例1的多功能复合流体示意图。

图2为本发明实施例2的多功能复合流体示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种基于液态金属的多功能复合流体，由液态金属1、溶剂2、溶质3和纳米添加物4组成，以液态金属1的质量为基准，溶剂2的质量与液态金属1质量比为0.9，其中溶质3用量为其溶解在溶剂后所得溶液的摩尔浓度为1.9mol/L，纳米添加物4的质量占复合流体总质量的5％。

所述的液态金属1为镓铟合金，该合金常温呈液态，具有优异的导电导热性能，电子与热能量可借助液态金属在多功复合流体中传导；所述的溶剂2为纯净水，用于溶解溶质3，并提供液体环境与液态金属1混合形成液态混合体；所述的溶质3为氯化钠，其完全溶解于溶剂2中，为溶液提供溶解离子，实现溶液离子电流传导；所述的纳米添加物4为纳米铜粉。

所述的一种基于液态金属的多功能复合流体的制备方法，包括以下步骤：

1)称取100g的配置好的镓铟液态金属于烧杯中；

2)称取90g纯净水溶剂于另一烧杯中；

3)称取10g氯化钠溶质于盛有水溶剂的烧杯中，并用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；

4)将配置得到的氯化钠溶液倒入盛有镓铟液态金属的烧杯中，并用玻璃棒搅拌，使其初步混合；

5)添加10g(纳米添加物占比复合流体质量5％)的纳米铜粉，并充分搅拌混分；

6)将上述所得混合流体置入超声中操5分钟，使混合流体均匀操碎，混合的更加均匀，获得最终的基于液态金属的多功能复合流体。

本实施例添加纳米铜粉的多功能复合流体，可以用作锂电池电极的导电剂，在制作极片时加入一定量的添加纳米铜粉的多功能复合流体，其在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，减小电极的接触电阻加速电子的移动速率，同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，有效提高电极的充放电效率。

实施例2，如图2所示，本实施例除纯净水50g，液态金属用量与实施例1一致为100g,且与液态金属比为0.5，氯化钠14.6g，配置所得溶液浓度为5mol/L，纳米添加物为20g(纳米添加物占比复合流体质量10％)的碳纳米管外，其余的组分和制备方法与实施例1一致。该基于液态金属的碳纳米管的多功能复合液体在电压/电流作用下，原本杂乱混合的碳纳米管在外界电场作用下会线性堆叠排列形成连续的碳纳米管道，导联分散的液态金属，使混合流体的电学性质发生变化，电子和离子都通过碳纳米管迅速导联，使其导电能力发生强变化。

实施例2是一种添加了碳纳米管的基于液态金属的多功能复合流体；碳纳米管作为一种一维纳米材料，其超轻特性，完美的六边形结构，使其具有许多异常的力学、电学以及化学性能，将碳纳米管材料运用于基于液态金属的多功能复合流体中，使复合流体展现出独特的性质；在电学性质上：该材料，在通电情况下，不再是简单的导电现象，在电场作用下，杂乱无序分布的碳纳米管将会线性堆叠排列形成连续的碳纳米管道，这具有重要意义；如：在这些复合流体中放置一些仅能通过纳米管道进行交换的载体，在没有电场的情况下，碳纳米管无序分布，无法交换，只有在外加电场下，使得载体间通过纳米管道彼此联通，实现物质交换或者信息传递等。在化学性能上，由于碳纳米管兼具碳活性与催化能力，使得添加碳纳米管的复合流体在化学催化与有毒防护上展示独特功效，如：将收集的雾霾空气通过导管通入陈放有添加碳纳米管的液态金属复合流体中，由于复合流体呈液体形态，雾霾中的细小颗粒物直接被滤除与溶液中，而雾霾中的有害气体分子则可被碳纳米管吸收，有效净化并获得清静空气，在未来新型防护上展示巨大潜力。

实施例3，本实施例的溶液为0.1mol/L的盐酸溶液，可通过量取市售质量分数为36％-37％的浓盐酸8.3毫升加纯净水稀释到一升溶液即可得0.1mol/L的盐酸溶液；量取0.1mol/L盐酸用量为300g，液态金属为200g，其中300g的0.1mol/L盐酸溶液中溶质氯化氢约1.0g，溶剂纯净水约299g，溶剂质量与液态金属质量的比值约为1.5，纳米添加物分别为20g纳米铁粉、20g纳米镍粉(纳米添加物占比复合流体质量20％)，其余的组分和制备方法与实施例1一致。该液态金属复合流体不但具有优异的导电性能，同时由于纳米铁粉与纳米镍粉的存在使该复合流体还将具有磁性，所以该复合流体将不仅能在电场控制下实现运动，同时也能在磁场控制下实现变形与运动，这种多功能复合流体在可变形运动、柔性机器等领域具有巨大的潜在应用。

实施例3的基于液态金属的多功能复合流体有优良的导电性，且常温呈液态，同时液态金属具有较强的粘附性，实施例3完全可以作为一种静电保护或电磁屏蔽的防护涂料；对于任意需要静电保护或电磁屏蔽的设备，可直接刷涂，简单又高效。

实施例3是一种添加了纳米铁粉与纳米镍粉的基于液态金属的多功能复合流体；纳米铁粉与纳米镍粉都天然的强磁材料，将其加入溶剂为盐酸溶液液态金属流体中，形成了一种基于液态金属的多功能复合流体，其不但具有优良的导电性，同时是一种带有磁性的磁流体，外加强磁场时(如：用钕铁硼强磁铁靠近)，该流体会受外界磁力吸引，实现运动与变形；同时，纳米铁粉与纳米镍粉具有优异的吸波特性，可吸收电磁波，因此该种多功能复合流体可用作高性能隐形材料，用于特种涂料、吸波材料等，直接涂在需屏蔽设备上，如：红外线隐形材料，手机辐射屏蔽材料等。

Claims (7)

1.一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：由液态金属、溶剂、溶质和纳米添加物组成，以液态金属的质量为基准，溶剂的质量与液态金属质量比为0.5～1.5，溶质溶解在溶剂后所得溶液的摩尔浓度为0.1～5mol/L，纳米添加物为一种或多种，其质量占复合流体总质量的1～20％。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：所述的液态金属兼具导电导热性，电子与热能量借助液态金属在多功复合流体中传导；所述的溶剂用于溶解溶质，并提供液体环境与液态金属混合形成液态混合体；所述的溶质完全溶解于溶剂中，为溶液提供溶解离子，实现溶液离子电流传导；所述的纳米添加物用于添加至复合流体中，使复合流体具有优良的导电性、导热性、柔性、可变形性，或使复合流体的某些性能在纳米添加物的作用下得到改善与增强。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：所述的液态金属为常温呈液态的金属单质或者二元合金、多元合金中的一种或多种；具体为单质镓，或为镓与铟、锌、铋、锡金属形成的二元、三元及多元合金，或为镓锡、镓铟、镓铟锌、镓铟铋、镓铟锡锌、镓铟锡铋合金。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：所述的溶剂为无机溶剂或有机溶剂，无机溶剂为水、液氨、盐酸、氢氧化钠溶液或无机酸；有机溶剂为甲醇、乙醇、苯乙烯或乙烯乙二醇。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：所述的溶质为金属单质或可溶性强电解质化合物，金属单质为铁、钠、钾、铝或镁；可溶性强电解质化合物为氯化钠、氯化银、碘化银或氯化铁。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多功能复合流体，其特征在于：所述的纳米添加物为纳米铁粉、纳米铜粉、碳纳米管、纳米银、纳米镁粉、纳米铝粉的一种或几种。

7.一种基于液态金属的多功能复合流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)称取配置好的液态金属于烧杯中；

2)称取液态金属质量50％-150％的溶剂于另一烧杯中；

3)分别称取一种或几种溶质于步骤2)盛有溶剂的烧杯中，其中称取的溶质的质量为完全溶解在溶剂中后，溶质的摩尔浓度在0.1～5mol/L，并用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；

4)将步骤3)配置得到的溶液倒入步骤1)盛有液态金属的烧杯中，并用玻璃棒搅拌，使其初步混合；

5)给步骤4)的初步混合液添加一种或多种质量为混合流体质量1～20％的纳米颗粒，并充分搅拌混分；

6)将步骤5)所得混合流体置入超声中操5分钟，使混合流体均匀操碎，混合的更加均匀，获得最终的基于液态金属的多功能复合流体。