CN109166687B - 一种液态金属磁流体功能材料以及制备方法 - Google Patents

一种液态金属磁流体功能材料以及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液态金属磁流体功能材料以及制备方法，所述液态金属磁流体功能材料以液态金属为基液，磁性颗粒被均匀胞吞在所述基液内，所述基液内包在保存液中；所述保存液选自酸溶液、加入电极的碱溶液或乙醇溶液中的一种或多种。本发明制得的液态金属磁流体功能材料性能稳定，具有高的导热导电性，同时流动性以及磁性均较好，适用于多领域行业。且制备所述液态金属磁流体功能材料的方法简单快捷，过程易操作控制。

Description

一种液态金属磁流体功能材料以及制备方法
技术领域
本发明涉及磁流体技术领域，具体涉及一种液态金属磁流体功能材料及其制备方法。
背景技术
磁流体不仅具有固体材料的磁性，还兼备液体的流动性，是一种对磁场敏感的新型功能材料，它在各个领域具有广泛的用途，随着经济的发展，新型的磁流体功能材料受到越来越多研究者的关注。
磁流体作为一种胶体系统，它的关键技术在于具有磁性的物质均匀的分散到基液中，形成一种稳定的，具有磁性的流体材料，传统的磁流体基液主要有水、烃类、煤油、汞、脂类有机化合物等。这些基液导电导热性很差，挥发性太强，且存在易泄露问题，这大大限制水基和有机物基磁流体在某些领域的使用。
液态金属具有高的导电导热性，并且具有宽的液态温区(室温～2000℃)，可在各种环境下稳定存在，应用领域更加广泛。液态金属磁流体功能材料包括磁性颗粒、液态金属基液以及保存液。磁性材料是金属铁、钴、镍单质及其化合物等能够直接或间接产生磁性的物质，不同材料的磁性强度以及性能均有很大的区别，因此磁性颗粒的选择也是制备磁流体的关键因素；一般情况下，液态金属在空气中易氧化，从而影响液态金属磁流体的流动性、稳定性等性质，进而限制它的用途。因此液态金属磁流体的保存问题也是关键。目前制备磁流体主要是水基磁流体，制备过程复杂，能量消耗大，并且制备得到的磁流体易挥发、泄露、导热导电性差。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种液态金属磁流体功能材料，以液态金属为基液，磁性颗粒被均匀胞吞在所述基液内，所述基液内包在保存液中；
所述保存液选自酸溶液、加入电极的碱溶液或乙醇溶液中的一种或多种。
本发明所述的液态金属磁流体功能材料的稳定性高、导热导电性高。
本发明进一步提出的，所述液态金属与所述磁性颗粒的重量比为 4～15:1，优选为6～8:1；最优选为7:1。
本发明进一步提出的，所述液态金属选自镓、铟、锡、锌、铋、铬、汞中的一种或多种；
优选的，所述液态金属为至少含有锌的二元或多元合金，锌的重量不低于1％；
更优选的，所述液态金属为镓铟、镓锌、镓铟锡、镓铟锌或镓铟锡锌的合金，最优选为Ga72In12Zn16合金。
本发明进一步提出的，所述磁性颗粒选自单质铁、钴或镍，以及铁、钴或镍的氧化物、氮化物中的一种或多种；
优选的，所述磁性颗粒选自Fe、Co、Fe3O4、γ-Fe2O、FeN、Fe2O3、 CoO2、Fe16N2、CoFe2O4中的一种或多种；优选为Co(单质钴)。
更优选的，所述磁性颗粒的粒径为1～2000nm；当所述磁性颗粒的粒径为150～250nm时，磁性颗粒不易发生团聚，且胞吞效果更优。
本发明进一步提出的，所述胞吞在酸溶液中进行；优选的，所述酸溶液可采用常规的酸，优选采用盐酸溶液。胞吞结束后，去除盐酸溶液即可。
本发明进一步提出的，所述保存液选自盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液、醋酸溶液、草酸溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液、乙醇溶液中的一种；
其中，所述保存液采用强酸溶液时，其使用的浓度需偏低；采用弱酸溶液是，其使用的浓度偏高。采用碱性溶液是，保存效果较差，适当的添加电极，可降低液态金属的表面张力，提高保存效果。
优选采用酸性偏弱的酸，如磷酸溶液或醋酸溶液；最优选采用醋酸溶液，且所述醋酸溶液的浓度为1～3mol/L。
优选的，所述液态金属与保存液的体积比为1:1～5；
本发明制得的液态金属磁流体功能材料性能稳定，具有高的导热导电性，同时流动性以及磁性均较好，适用于多领域行业。
本发明的又一目的在于，提供上述的液态金属磁流体功能材料的制备方法。本发明是利用液态金属在溶液中能胞吞磁性颗粒进行制备的，该制备方法高效快速，并进一步的保证了所制得的液态金属磁流体功能材料具有高的导热导电性。
所述制备方法，包括如下步骤：
1)将磁性颗粒加入含有液态金属的酸溶液中进行胞吞，胞吞结束后，去除酸溶液，并进行真空干燥处理；
2)将干燥后胞吞磁性颗粒的液态金属放入保存液中进行保存。
本发明进一步提出的，所述胞吞时，采用震荡、搅拌、加热、加磁场、加电极、加磁场震荡，加磁场搅拌、加磁场加电极中一种或多种进行辅助。
优选的，所述搅拌具体为：采用转速为500～1500rad/min的速度，搅拌10～20min；
优选的，所述加热的温度为50～70℃，所述加热的时间为10～ 20min；
优选的，所述胞吞中加入磁场搅拌，磁力搅拌器的转速为500～ 1500rad/min，频率为50Hz，磁场强度为1000Gs；
所述的胞吞实验中加入电极，电极电压为10～28V。
本发明进一步提出的，所述真空干燥处理的真空度为75～95Pa，时间为50～70min；优选为真空度为85Pa，时间为60min。
本发明提供一种优选方案，所述的液态金属磁流体功能材料，具体由如下步骤制得：
1)将重量比为1:7的金属单质钴加入含有Ga72In12Zn16合金的盐酸溶液中进行胞吞，胞吞结束后，去除盐酸溶液，在置于真空度为 75～95Pa的环境下，干燥50～70min；
2)将干燥后的液态金属磁流体功能材料放入浓度为1～3mol/L的醋酸中进行保存。
优选的，所述Ga72In12Zn16合金与盐酸溶液的体积比为1:1～5，所述盐酸溶液的浓度为0.5～2mol/L。
本发明至少具有以下有益效果：
1、采用液态金属做原料，制备得到的液态金属磁流体材料具有高的导热导电性能；
2、液态金属磁流体材料的稳定性、流动性以及磁性较好；
3、采用溶液中胞吞法制备液态金属磁流体的方法高效快捷，并且设备要求低，节约经济；
4、液态金属宽的液态温区，拓宽了液态金属磁流体功能材料的使用范围，使其能在高温或者低温的环境下使用；
5、制备得到的液态金属磁流体克服了水基和有机物基磁流体导电导热性能差、挥发性强以及易泄露等缺点。
本发明制备的液态金属磁流体功能材料，制备方法简单快捷，过程易操作控制，得到的磁流体材料性能稳定，具有高的导热导电性，同时流动性以及磁性均较好，适用于多领域行业。
附图说明
图1为液态金属也流体功能材料的制备流程图；
图中，1-磁性颗粒、2-保存液、3-液态金属；
图2为液态金属胞吞磁性颗粒的示意图；
图3为液态金属磁流体功能材料示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种液态金属磁流体功能材料，如图1所示，磁性颗粒(1)缓慢少量的加入到保存液(2)中的液态金属(3)中，加入的过程中不断震荡或者加入磁场或电极。
如图2所示，胞吞后磁性颗粒均匀的分撒在液态金属中。
实施例1
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，具体由如下步骤制得：
1)将粒径为50nm的金属钴粉按重量比为1:7的比例加入 3gGa86.5Sn13.5合金(Ga质量为2.595g，Sn质量为0.405g)中进行胞吞实验，其中，所述Ga86.5Sn13.5合金浸在盐酸溶液中；胞吞结束后，去除盐酸溶液，再置于真空度为85Pa的环境下，干燥60min；
其中，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L；
2)将干燥后胞吞磁性颗粒的液态金属加入15mL浓度为3mol/L 的醋酸溶液中保存，即得。
本实施例中，两个步骤中的胞吞速率慢，需同时在磁场和电极的条件下进行。
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性一般，磁性以及流动性较好。
实施例2
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例1的区别在于，“Ga86.5Sn13.5合金”替换为“Ga75.5In24.5合金”。
本实施例中，两个步骤的胞吞速率稍快。
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性一般，磁性以及流动性较好；与实施例1无明显区别。
实施例3
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例1的区别在于，“Ga86.5Sn13.5合金”替换为“Ga62.5In21.5Sn16合金”。
本实施例中，两个步骤的胞吞速率较快。
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性较好，磁性以及流动性较好。
实施例4
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，具体由如下步骤制得：
1)将粒径为75nm的金属钴粉按重量比为1:7的比例加入3g Ga61In25Sn13Zn1合金中进行胞吞，其中，所述Ga86.5Sn13.5合金浸在盐酸溶液中；胞吞结束后，去除盐酸溶液，再置于真空度为85Pa的环境下，干燥60min；
其中，所述盐酸溶液的浓度为3mol/L；
2)将干燥后胞吞磁性颗粒的液态金属加入15mL浓度为1mol/L 的盐酸溶液中，进行保存，即得。
本实施例中，两个步骤中的胞吞速率快，无需借助外力进行。
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性好，磁性以及流动性好。
实施例5
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例4的区别在于，将保存液“1mol/L的盐酸溶液”替换为“0.5mol/L的硫酸溶液”；
本实施例中，两个步骤中的胞吞速率快于实施例4，
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性好，磁性以及流动性好；与实施例4无明显区别。
实施例6
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例4的区别在于，两个步骤的胞吞时，加入磁场，磁场强度为1000Gs；
本实施例中，两个步骤中的胞吞速率快于实施例4；
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性好，磁性以及流动性好；与实施例4无明显区别。
实施例7
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例4的区别在于，两个步骤的胞吞时，同时加入磁场以及电极，磁场强度为 1000Gs；电极的电量为15V。
本实施例中，两个步骤中的胞吞速率快于实施例6；
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性好，磁性以及流动性好；与实施例4无明显区别。
实施例8
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例4的区别在于，“Ga61In25Sn13Zn1合金”替换为“Ga67In12Zn4合金”；且，保存液“1mol/L的盐酸溶液”替换为“1mol/L的醋酸溶液”；
本实施例中，两个步骤的胞吞速率相对实施例4更快；
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料相对与实施比例4稳定性更好，磁性以及流动性更好。
实施例9
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例8的区别仅在于，两个步骤的胞吞时，同时加入磁场或电极，磁场强度为 1000Gs；电极的电压为15V。
本实施例中，两个步骤的胞吞速率快于实施例6；
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料稳定性好，磁性以及流动性好；与实施例8无明显区别。
实施例10
本实施例提供一种液态金属磁流体功能材料，与实施例4的区别在于，“Ga61In25Sn13Zn1合金”替换为“Ga72In12Zn16合金”；且，保存液“1mol/L的盐酸溶液”替换为“1mol/L的醋酸溶液”；
本实施例中，两个步骤的胞吞速率相对实施例8更快；
本实施例制得的液态金属磁流体功能材料与实施例8相比，稳定性更好，磁性以及流动性更好。
试验例1
将实施例1～10制得的液态金属磁流体功能材料进行热导率以及电导率测试，并采用现有市购的磁流体(水基或者油基磁流体)作为对照品进行对照，实验结果如下：
表1
合金种类 热导率(W/m·K) 电导率(S/m)
<u>实施例1</u> <u>Ga<sub>86.5</sub>Sn<sub>13.5</sub></u> 18.01 3.01×10<sup>6</sup>
实施例2 Ga<sub>75.5</sub>In<sub>24.5</sub> 18.56 3.40×10<sup>6</sup>
实施例3 Ga<sub>62.5</sub>In<sub>21.5</sub>Sn<sub>16</sub> 18.24 3.31×10<sup>6</sup>
实施例4～7 Ga<sub>61</sub>In<sub>25</sub>Sn<sub>13</sub>Zn<sub>1</sub> 18.16 3.27×10<sup>6</sup>
实施例8、9 Ga<sub>67</sub>In<sub>12</sub>Zn<sub>4</sub> 18.15 3.19×10<sup>6</sup>
实施例10 Ga<sub>72</sub>In<sub>12</sub>Zn<sub>16</sub> 18.09 3.10×10<sup>6</sup>
对照品不具有导热导电性，并且极易挥发、泄露。
试验例2
将实施例1～10制得的液态金属磁流体功能材料进行出测试，实验结果如下：
表2
Figure BDA0001776498730000081
Figure BDA0001776498730000091
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种液态金属磁流体功能材料，其特征在于，以液态金属为基液，磁性颗粒被均匀胞吞在所述基液内，所述基液包在保存液中；
所述保存液为醋酸溶液，所述醋酸溶液的浓度为1～3mol/L；
所述液态金属为Ga72In12Zn16合金；所述磁性颗粒选自Fe、Co、Fe3O4、γ-Fe2O、FeN、Fe2O3、CoO2、Fe16N2、CoFe2O4中的一种或多种；
所述液态金属与所述磁性颗粒的重量比为6～8:1；所述液态金属与保存液的体积比为1:1～5。
2.根据权利要求1所述的液态金属磁流体功能材料，其特征在于，所述磁性颗粒的粒径为1～2000nm。
3.权利要求1或2所述液态金属磁流体功能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将磁性颗粒加入含有液态金属的酸溶液中进行胞吞，胞吞结束后，去除酸溶液，并进行真空干燥处理；
2)将干燥后胞吞磁性颗粒的液态金属放入保存液中进行保存。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述胞吞具体采用震荡、搅拌、加热、加磁场、加电极、加磁场震荡，加磁场搅拌、加磁场加电极中一种或多种进行辅助。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥处理的真空度为75～95Pa，时间为50～70min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥处理的真空度为85Pa，时间为60min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，由如下步骤制得：
1)将重量比为1:7的金属单质钴加入含有Ga72In12Zn16合金的盐酸溶液中进行胞吞，胞吞结束后，去除盐酸溶液，再置于真空度为75～95Pa的环境下，干燥50～70min；
2)将干燥后的液态金属磁流体功能材料放入浓度为1～3mol/L的醋酸中进行保存。
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