CN109443994B - 一种控制液态金属非融合行为的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液态金属的操控技术领域，尤其涉及一种控制液态金属非融合行为的系统及方法，控制液态金属非融合行为的系统包括振动装置和承载装置，承载装置内设置液态金属液池和隔离溶液，液态金属液池位于隔离溶液下方，振动装置与承载装置连接，以控制承载装置振动。本发明承载装置内盛放有液态金属和隔离溶液，通过振动装置为承载装置施加一定频率和幅度的振动，放置一个或者多个液态金属液滴在承载装置内的液态金属液池上，液态金属液滴周围形成一层很薄的流动的隔离液膜，当振动的驱动条件合适时，这层隔离液膜能够周期性的挤压和排出，从而保证液态金属液滴能够悬浮在液态金属液滴上，实现液态金属的非融合行为。
Description
技术领域
本发明涉及液态金属的操控技术领域，尤其涉及一种控制液态金属非融合行为的系统及方法。
背景技术
液态金属高于水数十倍的表面张力使其表现出一系列奇特的表面和界面现象，其中之一便是液态金属的非融合行为。非融合行为指的是两部分相同的流体互相靠近但能保持一定时间非融合的状态。对液态金属非融合行为的研究对于丰富流体力学理论体系以及促进工业技术发展都有非常重要的意义。在流动散热中，液滴的非融合可能会导致液态金属的灌注不畅，向散热通道中引入空气，从而造成散热效果的降低和流动阻力的增加。在3D打印和柔性电子的制造过程中，液滴的非融合行为会影响打印的精度，造成不合格样品数量的增加，提高生产成本。而在药物输送方面，每个纳米级别的液态金属液滴各自携带相应的药物，需要作用于不同的靶向部位。各个液滴之间必须保持非融合的状态，才能使其执行各自特定的功能，否则可能会对患者的身体健康造成危害。除此以外，在高温金属冶炼、铸造、焊接、锻造过程中，融化的液态金属的非融合行为对制造样品的合格与否以及精度高低都具有重要的影响。
为了实现上述目标，已经有研究者提出几种针对室温液态金属的非融合系统。例如将液态金属分散于含有表面活化剂的溶液中，表面活化剂能够使液态金属液滴之间稳定的分隔开来，但是这种通过添加化学试剂的方法不具备广泛的研究意义，对实际过程中的指导价值极其有限，而且所添加的表面活性剂物质可能对人体健康造成危害。除此以外，也有通过向液态金属-溶液的双流体体系外加电场，使得液态金属/溶液界面发生相对流动，从而提供一个牛顿润滑力使得液滴悬浮起来。但是在两个电极之间产生的电场梯度会使得表面流动定向于某一个方向，悬浮的液态金属液滴会沿着此电场梯度方向滑行，到达容器的边界后由于扰动液滴不再能保持悬浮，因此这种通过外加电场实现液滴非融合行为的方法并不能实现长时间稳定的液滴非融合。而且外加电场会使溶液发生电解，使得溶液的浓度和成分都发生了改变，同时也会使一部分液态金属氧化产生表面污染物，大大缩短了系统的寿命，必须及时更换溶液和清洗液态金属系统才能继续运行。另外电解产生的氢气不仅会对人体健康造成危害，也会危及系统的运行安全。总而言之，迄今为止还没有一种能够非接触地、长久稳定地实现液态金属非融合行为，并且高度可控可调、具有广泛研究价值的系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决在控制液态金属非融合行为时容易接触液态金属，难以长时间稳定维液态金属的融合行为，且容易造成污染危害的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种控制液态金属非融合行为的系统，包括振动装置和承载装置，所述承载装置内设置液态金属液池和隔离溶液，所述液态金属液池位于所述隔离溶液下方，所述振动装置与所述承载装置连接，以控制所述承载装置振动。
其中，所述振动装置包括振动平台和驱动组件，所述驱动组件驱动所述振动平台竖直方向上周期性振动，所述振动平台的顶面与所述承载装置的底面连接。
其中，所述驱动组件包括波形信号发生器和与所述波形信号发生器配套的功率放大器。
其中，所述波形信号发生器发出频率为0～20kHz，幅值为0～10V，波形为正弦波、方波、三角波或脉冲波的信号。
其中，所述功率放大器将所述波形信号发生器发出的信号功率放大至小于或等于1500VA，为所述振动平台提供的推力小于或等于5000N。
其中，所述振动平台上设有用于检测所述振动平台振动加速度的加速度传感器。
其中，所述振动平台为电磁振动器、高功率扬声器或机械式振动器。
其中，所述隔离溶液为酸溶液，pH值的范围是0～4；或所述隔离溶液为碱溶液，pH值的范围是10～14。
其中，所述液态金属液池包括镓及镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种，以及含有纳米颗粒的掺杂液。
本发明还提供了一种控制液态金属融合行为的方法，包括以下步骤：
S1，将液态金属液池和隔离溶液注入到承载装置中，且液态金属液池的注入深度小于隔离溶液的注入深度；
S2，将承载装置放置在振动平台上；
S3，开启驱动组件驱动振动平台振动；
S4，放置一个或多个液态金属液滴在液态金属液池和隔离溶液界面的上部。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明控制液态金属非融合行为的系统，承载装置内盛放有液态金属和隔离溶液，通过振动装置为承载装置施加一定频率和幅度的振动，液态金属表面会产生毛细波，同时引起隔离溶液的流动，放置一个或者多个液态金属液滴在承载装置内的液态金属液池上，液态金属液滴周围形成一层很薄的流动的隔离液膜，隔离液膜能够产生一个雷诺润滑力，当振动的驱动条件合适时，这层隔离液膜能够周期性的挤压和排出，从而保证液态金属液滴能够悬浮在液态金属液滴上，实现液态金属的非融合行为。由于本发明通过直接给承载容器施加振动为液态金属提供非融合所需的能量，并不直接接触液态金属或者溶液，因此不会使流体的物理、化学性质发生改变，不会对系统内流体的成分和洁净度造成影响，也不会产生任何对环境有污染的气体或者杂质，系统能够长久稳定安全地持续运行；而且本发明的各个参数都具有高度的灵活性和可调性，包括承载装置的形状和尺寸，溶液的种类和注入高度，承载液体的厚度和比例，以及振动的频率和幅度等，另外还可以在此系统的基础上额外添加各种机械场、电场、磁场、声场、光场、温度场等，大大拓宽了适用领域。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例一控制液态金属非融合行为的系统的结构示意图。
图中：1：振动装置；2：承载装置；3：液态金属液池；4：隔离溶液。
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的一部分实施例，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的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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供的控制液态金属非融合行为的系统，包括振动装置1和承载装置2，承载装置2内设置液态金属液池3和隔离溶液4，液态金属液池3位于隔离溶液4下方，振动装置1与承载装置2连接，以控制承载装置2振动。
本发明控制液态金属非融合行为的系统，承载装置内盛放有液态金属和隔离溶液，通过振动装置为承载装置施加一定频率和幅度的振动，液态金属表面会产生毛细波，同时引起隔离溶液的流动，放置一个或者多个液态金属液滴在承载装置内的液态金属液池上，液态金属液滴周围形成一层很薄的流动的隔离液膜，隔离液膜能够产生一个雷诺润滑力，当振动的驱动条件合适时，这层隔离液膜能够周期性的挤压和排出，从而保证液态金属液滴能够悬浮在液态金属液滴上，实现液态金属的非融合行为。由于本发明通过直接给承载容器施加振动为液态金属提供非融合所需的能量，并不直接接触液态金属或者溶液，因此不会使流体的物理、化学性质发生改变，不会对系统内流体的成分和洁净度造成影响，也不会产生任何对环境有污染的气体或者杂质，系统能够长久稳定安全地持续运行；而且本发明的各个参数都具有高度的灵活性和可调性，包括承载装置的形状和尺寸，溶液的种类和注入高度，承载液体的厚度和比例，以及振动的频率和幅度等，另外还可以在此系统的基础上额外添加各种机械场、电场、磁场、声场、光场、温度场等，大大拓宽了适用领域。
其中，振动装置1包括振动平台和驱动组件，驱动组件驱动振动平台竖直方向上周期性振动，振动平台的顶面与承载装置的底面连接。本实施例中，承装液态金属和隔离溶液的承载装置放置在振动平台上，驱动组件驱动振动平台振动，从而对承载装置底部施加竖直方向的周期性的振动，放置一个或者多个液态金属液滴在承载装置内的液态金属液池上，即可实现液态金属的非融合行为。
其中，驱动组件包括波形信号发生器和与波形信号发生器配套的功率放大器。其中，波形信号发生器发出频率为0～20kHz，幅值为0～10V，波形为正弦波、方波、三角波或脉冲波的信号。其中，功率放大器将波形信号发生器发出的信号功率放大至小于或等于1500VA，为振动平台提供的推力小于或等于5000N。通过调整波形信号发生器及功率放大器，可对振动平台的振动速度、频率等进行相应的调节，形成高效可调控的实现液态金属非融合行为的系统。
其中，振动平台上设有用于检测振动平台振动加速度的加速度传感器。振动平台的振动加速度由一个压电加速度传感器进行测量，便于实时监控振动平台的振动加速度，从而对其进行及时调整；加速度传感器的测量范围为0-80g。
本发明的实施例中振动平台可选用电磁振动器、高功率扬声器或机械式振动器。
其中，隔离溶液4为酸溶液，pH值的范围是0～4；或隔离溶液4为碱溶液，pH值的范围是10～14。隔离溶液为能够去除镓基室温液态金属表面氧化膜的碱溶液或者酸溶液，酸溶液可以是HCl、H2SO4或CH3COOH溶液；碱溶液可以是NaOH、KOH或NH3·H20溶液。
其中，液态金属液池3包括镓及镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种，以及含有纳米颗粒的掺杂液。室温液态金属液池包括低熔点液态金属镓及镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种、以及含少量金属或非金属纳米颗粒的掺杂液；掺杂液中的纳米颗粒可选用粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、钴、钆、康铜、钨铼合金、镍铬合金、碳纳米管或石墨烯；或是选用硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、碲化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硒化锌颗粒、碲化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒等。
实施例二
本发明实施例二提供的控制液态金属融合行为的方法，包括以下步骤：
S1，将液态金属液池和隔离溶液注入到承载装置中，且液态金属液池的注入深度小于隔离溶液的注入深度；将作为液态金属液池的液态金属合金首GaIn24.5和作为隔离溶液的pH＝12的NaOH溶液注入到承载装置中，承载装置为一个玻璃制成的内径76mm的圆柱形容器，液态金属液池和隔离溶液的注入深度分别为10mm和12mm；
S2，将承载装置放置在振动平台上；振动平台为一个电磁振动平台；
S3，开启驱动组件驱动振动平台振动；由任意波形信号发生器发出一个频率为30Hz，幅值为200mV的正弦波信号，此信号经过功率放大器放大后提供给电磁振动平台一个加速度为10m2/s的振动；
S4，放置一个或多个液态金属液滴在液态金属液池和隔离溶液界面的上部，液态金属液滴可以实现与下部液态金属液池的非融合行为。
实施例三
本发明实施例三提供的控制液态金属融合行为的方法，包括以下步骤：
S1，将液态金属液池和隔离溶液注入到承载装置中，且液态金属液池的注入深度小于隔离溶液的注入深度；将作为液态金属液池的液态金属合金首GaIn10和作为隔离溶液的pH＝12的NaOH溶液注入到承载装置中，承载装置为一个聚四氟乙烯制成的边长为6cm的正方形容器中，液态金属液池和隔离溶液的注入深度分别为8mm和16mm；
S2，将承载装置放置在振动平台上；振动平台为一个高功率扬声器；
S3，开启驱动组件驱动振动平台振动；由任意波形信号发生器发出一个频率为80Hz，幅值为500mV的方波信号，此信号经过功率放大器放大后提供给高功率扬声器一个加速度为40m2/s的振动；
S4，放置一个或多个液态金属液滴在液态金属液池和隔离溶液界面的上部，液态金属液滴可以实现与下部液态金属液池的非融合行为。
实施例三
本发明实施例三与实施例二基本相同，不同之处在于，隔离溶液为pH＝3的HCl溶液。
本发明实施例中承载装置可以是由与液态金属和溶液相容的材料制成的各种形状和尺寸的容器。
综上所述，本发明控制液态金属非融合行为的系统和方法，承载装置内盛放有液态金属和隔离溶液，通过振动装置为承载装置施加一定频率和幅度的振动，液态金属表面会产生毛细波，同时引起隔离溶液的流动，放置一个或者多个液态金属液滴在承载装置内的液态金属液池上，液态金属液滴周围形成一层很薄的流动的隔离液膜，隔离液膜能够产生一个雷诺润滑力，当振动的驱动条件合适时，这层隔离液膜能够周期性的挤压和排出，从而保证液态金属液滴能够悬浮在液态金属液滴上，实现液态金属的非融合行为。由于本发明通过直接给承载容器施加振动为液态金属提供非融合所需的能量，并不直接接触液态金属或者溶液，因此不会使流体的物理、化学性质发生改变，不会对系统内流体的成分和洁净度造成影响，也不会产生任何对环境有污染的气体或者杂质，系统能够长久稳定安全地持续运行；而且本发明的各个参数都具有高度的灵活性和可调性，包括承载装置的形状和尺寸，溶液的种类和注入高度，承载液体的厚度和比例，以及振动的频率和幅度等，另外还可以在此系统的基础上额外添加各种机械场、电场、磁场、声场、光场、温度场等，大大拓宽了适用领域。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (6)
1.一种控制液态金属非融合行为的系统，其特征在于：包括振动装置和承载装置，所述承载装置内设置液态金属液池和隔离溶液，所述液态金属液池位于所述隔离溶液下方，所述振动装置与所述承载装置连接，以控制所述承载装置振动；所述隔离溶液为酸溶液，pH值的范围是0～4；或所述隔离溶液为碱溶液，pH值的范围是10～14；所述振动装置包括振动平台和驱动组件，所述驱动组件驱动所述振动平台竖直方向上周期性振动，所述振动平台的顶面与所述承载装置的底面连接；所述驱动组件包括波形信号发生器和与所述波形信号发生器配套的功率放大器；所述波形信号发生器发出频率为0~20kHz，幅值为0~10 V，波形为正弦波、方波、三角波或脉冲波的信号。
2.根据权利要求1所述的控制液态金属非融合行为的系统，其特征在于：所述功率放大器将所述波形信号发生器发出的信号功率放大至小于或等于1500 VA，为所述振动平台提供的推力小于或等于5000 N。
3.根据权利要求1所述的控制液态金属非融合行为的系统，其特征在于：所述振动平台上设有用于检测所述振动平台振动加速度的加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的控制液态金属非融合行为的系统，其特征在于：所述振动平台为电磁振动器、高功率扬声器或机械式振动器。
5.根据权利要求1所述的控制液态金属非融合行为的系统，其特征在于：所述液态金属液池包括镓及镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种，以及含有纳米颗粒的掺杂液。
6.一种应用上述权利要求1至5任意一项所述控制液态金属非融合行为的系统进行控制液态金属非融合行为的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，将液态金属液池和隔离溶液注入到承载装置中，且液态金属液池的注入深度小于隔离溶液的注入深度；
S2，将承载装置放置在振动平台上；
S3，开启驱动组件驱动振动平台振动；
S4，放置一个或多个液态金属液滴在液态金属液池和隔离溶液界面的上部。
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