CN108994292A - 一种低熔点金属的改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低熔点金属的改性方法，涉及材料技术领域。本发明提供的低熔点金属的改性方法包括：使低熔点金属成为低熔点金属液滴；在低熔点金属液滴外包覆金属颗粒；将包覆有金属颗粒的低熔点金属液滴放置于改性环境中；金属颗粒进入低熔点金属液滴内部，得到改性后的低熔点金属。本发明的技术方案能够较为简单地对低熔点金属进行改性。

Description

一种低熔点金属的改性方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种低熔点金属的改性方法。
背景技术
低熔点金属的熔点低于300摄氏度，其具有导电性好、熔点低、导热性好等优势，成为了近年来发展迅速的一种新兴功能材料。低熔点金属可以用作冷却介质、导热介质、焊接材料、电子线路、工艺品等，应用范围十分广泛。考虑到对低熔点金属的性能需求的多样化，需要对低熔点金属进行改性，以满足各种需求。
发明内容
本发明提供一种低熔点金属的改性方法，可以较为简单地对低熔点金属进行改性。
本发明提供一种低熔点金属的改性方法，采用如下技术方案：
所述低熔点金属的改性方法包括：
使低熔点金属成为所述低熔点金属液滴；
在所述低熔点金属液滴外包覆金属颗粒；
将包覆有所述金属颗粒的所述低熔点金属液滴放置于改性环境中；
所述金属颗粒进入所述低熔点金属液滴内部，得到改性后的低熔点金属；
其中，在所述改性环境中，所述低熔点金属液滴与金属板之间的接触角减小至60°及以下，所述金属板与所述金属颗粒的材质相同。
可选地，所述改性环境为酸性溶液。
进一步地，所述酸性溶液为浓度为1mol/L的HCl溶液。
可选地，所述改性环境包括中性溶液以及电源，所述电源的正极与所述中性溶液连接，所述电源的负极与所述低熔点金属液滴连接。
进一步地，所述中性溶液为浓度为0.1mol/L的NaCl溶液；所述电源的电压大于或等于2V。
可选地，所述改性环境包括碱性溶液以及与所述低熔点金属液滴接触的牺牲金属。
进一步地，所述碱性溶液为浓度为1mol/L的NaOH溶液，所述牺牲金属为Al或者Mg。
可选地，所述低熔点金属为镓铟共晶合金，所述金属颗粒的材质为铜。
可选地，所述低熔点金属液滴的直径为1～2mm，所述金属颗粒为微米颗粒或者纳米颗粒。
可选地，在所述低熔点金属液滴外包覆所述金属颗粒包括：在设置有所述金属颗粒的颗粒床上滚动所述低熔点金属液滴。
本发明提供了一种低熔点金属的改性方法，使用该低熔点金属的改性方法对低熔点材料进行改性的过程如下：使低熔点金属成为低熔点金属液滴，在低熔点金属液滴外包覆金属颗粒，将包覆有金属颗粒的低熔点金属液滴放置于改性环境中，金属颗粒进入低熔点金属液滴内部，得到改性后的低熔点金属。由以上过程可知，使用本发明提供的低熔点金属的改性方法可以较为简单地对低熔点金属进行改性，且直接对低熔点金属液滴进行操作，尤其适用于对微量的低熔点金属进行改性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的低熔点金属的改性方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图一；
图3为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图二；
图4为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图三；
图5为本发明实施例提供的接触角的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。
本发明实施例提供了一种低熔点金属的改性方法，具体地，如图1、图2、图3和图4所示，图1为本发明实施例提供的低熔点金属的改性方法的流程图，图2为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图一，图3为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图二，图4为本发明实施例提供的低熔点金属的改性过程的示意图三，该低熔点金属的改性方法包括：
步骤S1、使低熔点金属成为低熔点金属液滴1。
本发明实施例所述的低熔点金属的具体实现方式可以有多种：在第一个例子中，低熔点金属为熔点在300摄氏度以下的单质；在第二个例子中，低熔点金属为熔点在300摄氏度以下的合金；在第三个例子中，低熔点金属为包括熔点在300摄氏度以下的单质，和/或，熔点在300摄氏度以下的合金的导电混合物，例如由熔点在300摄氏度以下的单质或者熔点在300摄氏度以下的合金与金属纳米颗粒和流体分散剂混合形成的导电纳米流体，当选用所述导电纳米流体时，流体分散剂优选为乙醇、丙二醇、丙三醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
在一些实施例中，低熔点金属的成分可包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、银、铜、钠、钾、镁、铝、铁、镍、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种。示例性地，低熔点金属具体的选择范围包括：汞单质、镓单质、铟单质、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。
其中，若低熔点金属的熔点高于室温，则在步骤S1中应先对低熔点金属进行加热，使其熔化，然后再形成低熔点金属液滴1，后续的各步骤也应在高于低熔点金属的熔点的温度下进行；若低熔点金属的熔点低于或等于室温，则可以直接使低熔点金属成为低熔点金属液滴1，后续的各步骤可以在高于室温的温度下进行，也可以在室温下进行。
可选地，低熔点金属为熔点低于室温的镓铟共晶合金。镓铟共晶合金可以通过将镓(75.5wt％，99.99％纯度)和铟(24.5wt％，99.99％纯度)一起搅拌并加热至80℃加热2小时来制备。
步骤S2、在低熔点金属液滴1外包覆金属颗粒2。
可选地，在设置有金属颗粒的颗粒床上滚动低熔点金属液滴，以使金属颗粒包覆在低熔点金属液滴外。
改性过程中赋予低熔点金属的性能主要由低熔点金属液滴外包覆的金属颗粒的性能决定，例如，为提高低熔点金属的导电性能，可以在低熔点金属液滴外包覆导电性能优于低熔点金属的金属颗粒，如Cu、Ag等；为提高低熔点金属的磁性，可以在低熔点金属液滴外包覆铁磁性优于低熔点金属的金属颗粒。
需要说明的是，具体选择何种金属颗粒进行改性，不仅需要考虑以上性能需求，还需要考虑改性过程能否顺利进行，具体可以结合后续步骤S3中的改性环境的相关描述进行选择。
另外，低熔点金属液滴1的尺寸，以及金属颗粒2的尺寸也会对改性过程的进行产生影响，其中，低熔点金属液滴1的尺寸越小，其表面积越大，低熔点金属液滴1外能够包覆的金属颗粒2越多，改性效果越好，但越难制备得到，金属颗粒2的尺寸越小，低熔点金属液滴1外能够包覆的金属颗粒2越多，且在后续步骤中金属颗粒2越容易进入低熔点金属液滴1内部，改性过程越容易进行，但也越难制备得到，因此，可以对低熔点金属液滴1的尺寸以及金属颗粒2的尺寸进行合理选择，以利于改性过程的顺利进行且容易获得。
可选地，低熔点金属液滴1的直径为1～2mm，金属颗粒2为微米颗粒(即粒径在1微米～5微米)或者纳米颗粒(即粒径在100纳米以下)。
示例性地，低熔点金属为镓铟共晶合金，低熔点金属液滴1的直径为1～2mm，金属颗粒为铜微米颗粒或者铜纳米颗粒。
步骤S3、将包覆有金属颗粒2的低熔点金属液滴1放置于改性环境中。
选择的改性环境，低熔点金属液滴1以及金属颗粒2之间需要满足以下条件：在改性环境中，低熔点金属液滴1与金属板之间的接触角θ减小至60°及以下(例如51°及以下)，金属板与金属颗粒2的材质相同，才可以实现金属颗粒2进入低熔点金属液滴1内的效果。
示例性地，改性环境可以有以下几种实现方式：第一种，如图2所示，改性环境为酸性溶液，例如，酸性溶液为浓度为1mol/L的HCl溶液；第二种，如图3所示，改性环境包括中性溶液以及电源，电源的正极与中性溶液连接，将中性溶液阳极化，电源的负极与低熔点金属液滴1连接(由于金属颗粒2包覆于低熔点金属液滴1外，因此，金属颗粒2必然也与电源的负极连接)，将低熔点金属液滴1阴极化(必然也将金属颗粒2阴极化)，可选地，中性溶液为浓度为0.1mol/L的NaCl溶液，电源的电压大于或等于2V；第三种，发明人发现，第二种中的电源的电压可以通过Al或者Mg等金属置于碱性溶液中获得，基于此，如图4所示，改性环境包括碱性溶液以及与低熔点金属液滴1接触的牺牲金属3(由于金属颗粒2包覆于低熔点金属液滴1外，因此，金属颗粒2必然也与牺牲金属3接触)，可选地，碱性溶液为浓度为1mol/L的NaOH溶液，牺牲金属3为Al或者Mg。
步骤S4、金属颗粒2进入低熔点金属液滴3内部，得到改性后的低熔点金属4。
发明人在对低熔点金属进行研究的过程中发现，当向处于特定环境(至少包括溶液)中的金属板上滴加低熔点金属液滴之后，低熔点金属液滴与金属板之间的接触角逐渐减小，低熔点金属液滴与金属板之间可由不润湿或者润湿程度较轻，变为润湿程度较好。
其中，如图5所示，图5为本发明实施例提供的接触角的示意图，上述接触角θ是指在溶液、低熔点金属液滴、金属板三者交点处所作的低熔点金属液滴的切线在低熔点金属液滴一方的与低熔点金属液滴与金属板交界线之间的夹角θ。接触角θ越大，低熔点金属液滴与金属板之间润湿程度越差，接触角θ越小，低熔点金属液滴与金属板之间润湿程度越好。
以低熔点金属液滴的材质为镓铟共晶合金，金属板的材质为Cu为例，在一个例子中，特定环境为浓度为1mol/L的HCl溶液，接触角θ从155°下降至51°，在又一个例子中，特定环境包括浓度为0.1mol/L的NaCl溶液以及2.0V的电源，电源的正极连接NaCl溶液，电源的负极连接金属板，接触角θ从168°下降至42°，在再一个例子中，特定环境包括浓度为1mol/L的NaOH溶液以及与金属板接触的Al，接触角θ从162°下降至36°。
发明人进一步发现，当处于特定环境中，低熔点金属液滴与金属板之间的接触角θ减小至60°及以下时，若将与金属板材质相同的金属颗粒包覆于低熔点金属液滴外，并将包覆有金属颗粒的低熔点金属液滴放置于该特定环境中，金属颗粒将会逐渐进入低熔点金属液滴内。基于此，步骤S3中设定了以上所述的条件，以使得金属颗粒2进入低熔点金属液滴1内，实现对低熔点金属的改性。
示例性地，如图2所示，改性环境为浓度为1mol/L的HCl溶液，低熔点金属为镓铟共晶合金，金属颗粒2为铜微米颗粒，将包覆有金属颗粒2的低熔点金属液滴1放置于改性环境中后，金属颗粒2首先将其颜色变为纯铜红色(金属颗粒2为铜纳米颗粒时更明显)，之后低熔点金属液滴1开始吞噬其上包覆的金属颗粒2，并伴随着气泡的产生，20s之内金属颗粒2即可完全进入低熔点金属液滴1内部，低熔点金属液滴1表面恢复光泽。其中，金属颗粒2颜色的变化主要原因在于金属颗粒2表面的氧化物(Cu2O和CuO，二者均为碱性氧化物)与HCl发生反应被去除，在此过程中低熔点金属液滴1表面的氧化物(Ga2O3和In2O3，二者均为两性氧化物)也会与HCl发生反应被去除。氧化物的去除有利于金属颗粒2进入低熔点金属液滴1内部。
示例性地，如图3所示，改性环境包括浓度为0.1mol/L的NaCl溶液以及2.0V的电源，电源的正极与中性溶液连接，电源的负极与低熔点金属液滴1连接，低熔点金属为镓铟共晶合金，金属颗粒2为铜微米颗粒，将包覆有金属颗粒2的低熔点金属液滴1放置于改性环境中后，低熔点金属液滴1开始吞噬其上包覆的金属颗粒2，10s之内金属颗粒2即可完全进入低熔点金属液滴1内部，低熔点金属液滴1表面恢复光泽。在此过程中，NaCl溶液中残留有黑色产物，以上黑色产物为低熔点金属液滴1表面的氧化物(因为Ga2O3和In2O3均为两性氧化物，不与中性溶液发生反应)，而金属颗粒2表面的氧化物呈碱性，可以与中性溶液发生反应，进而被去除。
示例性地，如图4所示，改性环境包括浓度为1mol/L的NaOH溶液以及与低熔点金属液滴1接触的Al片，低熔点金属为镓铟共晶合金，金属颗粒2为铜微米颗粒，将包覆有金属颗粒2的低熔点金属液滴1放置于改性环境中后，低熔点金属液滴1开始吞噬其上包覆的金属颗粒2，并伴随着气泡的产生，10s之内金属颗粒2即可完全进入低熔点金属液滴1内部，低熔点金属液滴1表面恢复光泽。在此过程中，NaOH溶液中残留有金属颗粒2表面的氧化物(因为Cu2O和CuO均为碱性氧化物，不与NaOH溶液发生反应)，而Ga2O3和In2O3均为两性氧化物，可以与NaOH溶液发生反应，进而被去除。
本发明实施例提供了一种低熔点金属的改性方法，使用该低熔点金属的改性方法对低熔点材料进行改性的过程如下：使低熔点金属成为低熔点金属液滴，在低熔点金属液滴外包覆金属颗粒，将包覆有金属颗粒的低熔点金属液滴放置于改性环境中，金属颗粒进入低熔点金属液滴内部，得到改性后的低熔点金属。由以上过程可知，使用本发明提供的低熔点金属的改性方法可以较为简单地对低熔点金属进行改性，且直接对低熔点金属液滴进行操作，尤其适用于对微量的低熔点金属进行改性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低熔点金属的改性方法，其特征在于，包括：
使低熔点金属成为所述低熔点金属液滴；
在所述低熔点金属液滴外包覆金属颗粒；
将包覆有所述金属颗粒的所述低熔点金属液滴放置于改性环境中；
所述金属颗粒进入所述低熔点金属液滴内部，得到改性后的低熔点金属；
其中，在所述改性环境中，所述低熔点金属液滴与金属板之间的接触角减小至60°及以下，所述金属板与所述金属颗粒的材质相同。
2.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述改性环境为酸性溶液。
3.根据权利要求2所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述酸性溶液为浓度为1mol/L的HCl溶液。
4.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述改性环境包括中性溶液以及电源，所述电源的正极与所述中性溶液连接，所述电源的负极与所述低熔点金属液滴连接。
5.根据权利要求4所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述中性溶液为浓度为0.1mol/L的NaCl溶液；所述电源的电压大于或等于2V。
6.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述改性环境包括碱性溶液以及与所述低熔点金属液滴接触的牺牲金属。
7.根据权利要求6所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述碱性溶液为浓度为1mol/L的NaOH溶液，所述牺牲金属为Al或者Mg。
8.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述低熔点金属为镓铟共晶合金，所述金属颗粒的材质为铜。
9.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，所述低熔点金属液滴的直径为1～2mm，所述金属颗粒为微米颗粒或者纳米颗粒。
10.根据权利要求1所述的低熔点金属的改性方法，其特征在于，在所述低熔点金属液滴外包覆所述金属颗粒包括：在设置有所述金属颗粒的颗粒床上滚动所述低熔点金属液滴。
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