CN109930049A

CN109930049A - 一种抗热冲击材料及其制备方法

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Publication number: CN109930049A
Application number: CN201910198075.8A
Authority: CN
Inventors: 付真金; 李波; 罗江山; 代丽; 易勇
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: CN109930049B

Abstract

本发明提供了一种抗热冲击材料及其制备方法，所述抗热冲击材料由以液态金属为基体以及均匀分散在液态金属中的空心微球组成，所述液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数为15％～30％，所述空心微球由微球球壳以及填充于空心微球中的气体组成。所述制备方法包括制备空心微球，其中，所述空心微球内部填充有气体，所述气体在所述空心微球中的压力为20MPa～100MPa；将所述制备得到的空心微球与液态金属混合，降温定型，得到抗热冲击材料。本发明的抗热冲击材料能够在深低温条件下对系统温度起到很好的缓冲作用，能够较好的维持系统温度的稳定性；本发明的抗热冲击材料制备方法简单，适用于大规模生产。

Description

一种抗热冲击材料及其制备方法

技术领域

本发明属于抗热冲击材料制备领域，更具体地讲，涉及一种抗热冲击材料及其制备方法，尤其适用于在深低温系统中抗热冲击。

背景技术

在深低温系统中，在制冷机或制冷剂的作用下可以使得系统温度降到-150℃以下。而当制冷系统撤离后，深低温系统就会受外界热冲击，导致系统的温度发生波动从而影响系统的使用性能。因此，寻找一种在深低温条件下能对抗热冲击的材料，能够对系统进行保护，并能够维持系统温度稳定至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种在深低温系统中维持系统稳定性的抗热冲击材料。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种抗热冲击材料，所述抗热冲击材料由以液态金属为基体以及均匀分散在液态金属中的空心微球组成，所述液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数可以为15％～30％，所述空心微球可以由微球球壳以及填充于空心微球中的气体组成。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述微球球壳的厚度可以为0.3μm～15μm，空心微球外径可以小于80μm。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述微球球壳可以包含掺杂纳米金属粒子。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述气体可以为纯态气体，所述纯态气体可以包括氢气、氘气、氦气或氖气。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述气体在所述空心微球中的压力可以为20MPa～100MPa。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述空心微球可以为玻璃微球和/或陶瓷微球。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述空心微球可以为单分散型微球或多分散型微球。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述液态金属为熔点可以低于45℃的纯金属或纯金属合金。

在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述液态金属可以包括镓、镓基合金或镓铟基合金。

本发明的再一方面提供了一种抗热冲击材料制备方法，所述制备方法可以包括以下步骤：制备空心微球，其中，所述空心微球内部填充有气体，所述气体在所述空心微球中的压力为20MPa～100MPa；将所述制备得到的空心微球与液态金属混合，降温定型，得到抗热冲击材料，其中，液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数为15％～30％。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的抗热冲击材料能够在深低温条件下对系统温度起到很好的缓冲作用，能够较好的维持系统温度的稳定性；本发明的抗热冲击材料制备方法简单，适用于大规模生产。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的一种抗热冲击材料及其制备方法。

具体来讲，在常温条件下，液态金属可以与充气的微球混合，例如，与充气的玻璃微球或者充气的陶瓷微球混合，随着液态金属的固化，充气的微球能够均匀固定在金属固体里。在深低温度下(-150℃以下)，充气微球中的气体凝固为固体或者液体，充气的微球成为微胶囊相变材料。当撤去冷源，充气的微球吸收外界冲击的热量而发生相变，在相变过程中，充气微球温度不变，从而可以缓解外界热的侵扰，维持系统温度的稳定。

本发明的一方面提供了一种抗热冲击材料，在本发明的抗热冲击材料的一个示例性实施例中，所述抗热冲击材料由液态金属和空心微球混合而成。所述液态金属作为基体，所述空心微球均匀分散在所述液态金属中。本发明的抗热冲击材料根据使用的液态金属的熔点在降温定型后得到，此时的液态金属固化后变成固体，空心微球中的气体仍然是气态形式存在。在深低温温度下，空心微球中的气体达到气体的凝固点，微球中的气体变成液态或者固态。

所述空心微球为内部填充有气体的微球，包括微球球壳以及填充气体。在抗热冲击材料中，所述液态金属占所述抗热冲击材料体积分数为15％～30％。设置上述液态金属所占比例的好处在于，液态金属的体积分数低于15％，抗热冲击材料的整体传热效果不好；液态金属的体积分数高于30％，抗热冲击材料的抗热冲击效果不好。进一步的，液态金属占所述抗热冲击材料体积的17％～28％，更进一步的，所占体积可以为21％～26％。

在本实施例中，所述空心微球的球壳厚度可以为0.3μm～15μm。对比空心微球的球壳厚度而言，空心微球的球壳太薄容易破裂，如果球壳太厚会影响抗热冲击材料的整体传热效果。因此，设置的球壳厚度为。进一步的，空心微球的球壳厚度可以为0.5μm～12μm，更进一步的，可以为1μm～3μm。所述空心微球外径可以小于80μm。微球的直径太大会导致接触面变小，传热的速度变低；微球的直径太小，液态金属的分散效果差，导致传热效果不好。因此，设置空心微球外径小于80μm。进一步的，空心微球外径可以小于为50μm，例如，可以为1μm～50μm，更进一步，空心微球的外径可以小于42μm。所述空心微球可以是直径相同也可以是直径不同的空心微球混合。

在本实施例中，所述空心微球的球壳含有掺杂的纳米金属粒子。在球壳中掺杂纳米金属粒子，可以增强空心微球的导热性能。这里的纳米金属粒子可以是纳米钨、纳米钼或纳米钽等。当然，本发明的纳米金属粒子不限于此，例如纳米铌亦可。

在本实施例中，所述空心微球中填充的气体可以是纯态气体，例如，填充的气体可以为H₂、D₂、He和Ne等，当然，本发明填充的气体不限于此，填充的气体类型可能根据本发明的抗热冲击材料所保护的系统进行确定。

在本实施例中，所述空心微球的充气压力可以为20MPa～100MPa。对于空心微球的充气气压而言，气压太低会导致材料的缓冲效果不明显，气压太高可能会导致微球破裂。例如，充气压力可以为26MPa～92MPa，进一步的，充气压力可以为36MPa～84MPa。

在本实施例中，所述液态金属的熔点可以是小于45℃。所述液态金属的熔点可以为15℃～45℃。进一步的，熔点可以为18℃～42℃，更进一步的，熔点可以为15℃～35℃。液体金属的熔点越接近室温，实验操作越方便。

在本实施例中，所述液态金属可以为镓、镓基合金或镓铟基合金。当然，本发明的液态金属不限于此，例如其他低熔点的合金液态金属均可。由于液态金属导热系数大，对外界冲击温度可以快速感应，把热传给空心微球(例如充气的玻璃或者充气的陶瓷微球)，空心微球对温度能够起缓冲作用。

在本实施例中，所述空心微球可以为玻璃微球和/或陶瓷微球。即本发明的抗冲击材料可以是液态金属与充气的玻璃微球，或者液态金属与充气的陶瓷微球，亦或者液态金属与充气的玻璃微球、充气的陶瓷微球进行混合制备而成。所述玻璃或陶瓷微球可以为单分散或多分散的混合。

在本发明的示例性实施例中，所述空心微球可以为单分散型微球或多分散型微球。当所述空心微球为单分散型时，所述微球直径的偏差可以小于10％。

本发明的再一方面提供了一种抗热冲击材料制备方法，在本发明的抗热冲击材料制备方法的一个示例性实施例中，所述制备方法可以包括：

步骤S01，制备空心微球。

在本实施例中，所述空心微球内部填充有气体，所述气体在所述空心微球中的压力可以为20MPa～100MPa。在上述抗热冲击材料的示例性实施例中所描述的空心微球可以同样适用于本实施例。

步骤S02，将所述制备得到的空心微球与液态金属混合，降温定型，得到抗热冲击材料。其中，液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数可以为15％～30％。

在本实施例中，上述抗热冲击材料示例性实施例中描述的空心微球可以同样适用于本实施例。液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数可以为19％～28％。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

(1)取液态金属镓，体积分数为所制备产品的19％。

(2)取直径1μm的玻璃微球体积分数为11％，直径40μm的玻璃微球体积分数为70％。

(3)玻璃微球中充入压力为50MPa的氢气。

(4)在模具中将玻璃微球和液态金属混合均匀，降温定型，该定型材料对液态、固态氢的系统温度稳定起缓冲作用，得到抗热冲击材料。

示例2

(1)液态金属镓，体积分数为所制备产品的26％。

(2)直径10μm的玻璃微球体积分数为74％。

(3)玻璃微球中充入50MPa压力的氢气。

示例3

(1)液态金属镓，体积分数为所制备产品的17％。

(2)直径10μm的玻璃微球体积分数为83％。

(3)玻璃微球中充入50MPa压力的氘气。

(4)在模具中将玻璃微球和液态金属混合均匀，降温定型，该定型材料对液态氢、固态氢或液态、固态氘的系统温度稳定起缓冲作用，得到抗热冲击材料。

示例4

(1)液态金属镓，体积分数为所制备产品的29％。

(2)直径10μm的陶瓷微球体积分数为71％。

(3)玻璃微球中充入50MPa压力的氘气。

(4)在模具中将陶瓷微球和液态金属混合均匀，降温定型，该定型材料对液态氢、固态氢或液态、固态氘的系统温度稳定起缓冲作用，得到抗热冲击材料。

示例5

(1)液态金属镓基合金(62.5Ga/21.5In/16Sn)19％。

(2)取直径1μm陶瓷微球体积分数11％，直径50μm陶瓷微球体积分数70％。

(3)陶瓷微球中充入压力为70MPa的氘气。

示例6

(1)液态金属镓基合金(62.5Ga/21.5In/16Sn)21％。

(2)取直径1μm陶瓷微球体积分数15％，直径50μm陶瓷微球体积分数64％。

(3)陶瓷微球中充入压力为98MPa的氖气。

(4)在模具中将陶瓷微球和液态金属混合均匀，降温定型，该定型材料对液态、固态氖的系统温度稳定起缓冲作用，得到抗热冲击材料。

示例7

(1)液态金属镓基合金(62.5Ga/21.5In/16Sn)26％。

(2)直径10μm陶瓷微球74％。

(3)陶瓷微球中充入21MPa压力的氢气。

(4)在模具中将陶瓷微球和液态金属混合均匀，降温定型，该定型材料对液态、固态氢的系统温度稳定起缓冲作用，得到抗热冲击材料。

综上所述，本发明的抗热冲击材料能够在深低温条件下对系统温度起到很好的缓冲作用，能够较好的维持系统温度的稳定性；本发明的抗热冲击材料制备方法简单，适用于大规模生产。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种抗热冲击材料，其特征在于，所述抗热冲击材料由以液态金属为基体以及均匀分散在液态金属中的空心微球组成，所述液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数为15％～30％，所述空心微球由微球球壳以及填充于空心微球中的气体组成。

2.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述微球球壳的厚度为0.3μm～15μm，所述空心微球的外径小于80μm。

3.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述微球球壳包含掺杂纳米金属粒子。

4.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述气体为纯态气体，所述纯态气体包括氢气、氘气、氦气或氖气。

5.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述气体在所述空心微球中的压力为20MPa～100MPa。

6.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述空心微球为玻璃微球和/或陶瓷微球。

7.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述空心微球为单分散型微球或多分散型微球。

8.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述液态金属为熔点低于45℃的纯金属或金属合金。

9.根据权利要求1所述的抗热冲击材料，其特征在于，所述液态金属包括镓、镓基合金或镓铟基合金。

10.一种抗热冲击材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

制备空心微球，其中，所述空心微球内部填充有气体，所述气体在所述空心微球中的压力为20MPa～100MPa；

将所述制备得到的空心微球与液态金属混合，降温定型，得到抗热冲击材料，其中，液态金属占所述抗热冲击材料的体积分数为15％～30％。