CN110010403A - 一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，倾斜开关的外壳为玻璃，腔内的液态金属球为镓基液态金属；且，于玻璃壳内壁和腔内电极分别进行了表面镀膜处理。充分利用了镓基液态金属（合金），即镓和其他金属形成的共晶合金，在室温下呈现液态，具有良好的导电性，替代水银构成玻璃倾斜开关的液态金属球。通过在铜电极导线进行了表面镀膜处理，防止镓基液态金属对铜电极的腐蚀；通过在玻璃壳内壁进行了表面镀膜处理，降低镓基液态金属与玻璃的亲和性，即降低与玻璃接触面的粘合性，提高镓基液态金属（液态金属球）响应的灵敏度；进而使得液态金属球可在玻璃腔内自由活动，并保证了倾斜开关的可持续性工作，具有很强的实用性和广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃倾斜开关，具体涉及一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关及制备方法，属于位置、倾斜角度以及加速度控制开关技术领域。
背景技术
常温下呈现液态的金属包括汞、铯、钫和镓，其熔点分别为–38.87℃，28.65℃，27℃和 29.8℃。其中，汞的挥发性强，毒性大；铯在空气中极易被氧化，可与水发生剧烈反应；钫则是一种不稳定的放射性元素；只有金属镓对人体无害，是一种安全金属。
随着2017年8月16日《水俣公约》正式生效后，我国已经禁止开采新的原生汞矿；同时，对许多涉汞行业和涉汞产品制订了限制、直至最终停产的时间表。为此，一些基于水银液体金属特性的产品，如温度计、血压计、水银倾斜开关等，急需安全的替代品。
尽管镓在常温下并非为液态，但镓基共晶合金具有更低的熔点。例如，特定组分的镓铟锡合金（熔点-19℃）和镓铟合金（熔点15.6℃）室温下均为液态，且安全无毒，是水银制品的最佳替代物。
德国Geratherm公司成功开发出一款镓基液态合金体温计，已经成功销售到世界60多个国家和地区，并在2016年通过中国国家食品药品监督管理总局审核进入中国市场。国内的一些企业也在开发同类产品。但是，其他水银制品目前还缺少合适的替代商品。
水银开关又称倾侧开关，是电路开关的一种。它由一个小巧的玻璃容器、两根连接容器内外的铜导线和壳内一小滴水银构成，依靠封装在壳内的水银移动，来实现铜导线之间电路的通断；与机械开关相比，水银开关有许多优点：
①、可以在恶劣环境条件下使用。由于水银开关是密封的，内部的水银和外界是隔绝的，因此它可以使用在有油、蒸汽、灰尘及腐蚀性气体的环境中；
②、水银开关体积小，结构简单，形式多样，价格低廉；
③、电极间的接触电阻小，一般小于0.02 Ω，可长期可靠地工作；
④、电极的接点是液态接触，无任何噪声；
⑤、通断所需的外力小，可用于振动的敏感元件，只要加速度达到设定值以上，就可以通或断。
水银倾斜开关广泛应用于国民经济各个领域，包括汽车、大型照明装置、通讯检测设备、工厂自动化控制、集成电器、开关元件、回转仪、水平仪和玩具等。比如，用水银接点汞开关代替了XL系列的行程开关，可以使水电站的蝴蝶阀自动快速关闭闸门，有效地避免操作问题带来的事故。在航天高技术领域方面，俄罗斯研制的微波重力水平开关（水银开关）也被应用于神舟飞船早期型号中，用于控制天线指向。当天线指向与水平面夹角大于 3°时，由微波重力水平开关自动鉴别并接通指向上方的天线，同时断开指向下方的天线。此外，在水平磨床、巷道排水、料位（水位）开关、微加速开关等大量使用。因此，产品需求量大，有广阔的市场空间。
目前，在水银制品受到政策限制的情况下，市场上还没有相关安全的替代产品。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，有效替换水银，且制备方法简单，响应灵敏度高。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，倾斜开关的外壳为玻璃，腔内的液态金属球为镓基液态金属；且，于玻璃壳内壁和腔内电极分别进行了表面镀膜处理。
上述镀膜的厚度为80nm-100um。
上述镓基液态金属为1-20 ml的液滴。
上述电极包括铜、铝、银或其合金电极。
上述玻璃壳内壁的镀膜，包括碳膜、钨膜、铊膜、聚四氟乙烯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜、硅橡胶膜、聚醚醚酮膜、尼龙膜、聚对苯二甲酸乙二酯膜。
上述电极的镀膜，包括碳膜、钨膜、铊膜。
上述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，包括以下步骤：
S1、镀膜：将玻璃壳和电极置于真空镀膜机中，玻璃壳一端和电极的一部分插入电极座，玻璃壳开口朝外；抽真空镀膜后，移入惰气保护的箱内，备用；
S2、于一个玻璃壳内，滴入镓基液态金属，形成液滴；
S3、将两根镀膜后的电极插入加热软化后的玻璃壳的开口部分，再热合封闭，使电极封合在玻璃壳腔内。
或者，上述步骤S1中玻璃壳的膜为涂层膜，则包括以下步骤：
A1、将玻璃壳与上、下两个保护套相连接，置于喷涂设备内，使喷头探入玻璃壳内，启动装置，完成涂料喷涂；
A2、摘下玻璃壳的保护套，将玻璃壳的细端朝下插入陶瓷孔板，放入马弗炉内，加热处理（温度为80-220℃，时间为2-5 h）后，得到镀膜的玻璃壳。
上述涂料包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶、聚醚醚酮、尼龙涂料。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关及制备方法，充分利用了镓基液态金属（合金），一种镓和其他金属形成的在室温下呈现液态、具有良好导电性的共晶合金，替代水银构成玻璃倾斜开关的液态金属球。通过在铜电极导线进行了表面镀膜处理，防止镓基液态金属对铜电极的腐蚀；通过在玻璃壳内壁进行了表面镀膜处理，降低镓基液态金属与玻璃的亲和性，即降低与玻璃接触面的粘合性，提高镓基液态金属（液态金属球）响应的灵敏度；进而使得液态金属球可在玻璃腔内自由活动，并保证了倾斜开关的可持续性工作。
本发明基于现有的倾斜开关的结构，作进一步改进，替换了水银，其方法简单，制备方便，响应灵敏度高，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的倾斜开关的结构示意图。
图2为本发明的镀碳膜的处理过程示意图。
图3为本发明的涂层喷淋的处理过程示意图。
附图中标记的含义如下：1、玻璃壳，2、液态金属球，3、电极，4、电极膜，5、玻璃膜，6、电极基座，7、碳电极，8、保护套，9、喷头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1
一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，包括以下步骤：
S1、镀膜：如图2所示，将玻璃壳1和电极3置于真空镀膜机中，玻璃壳1一端和铜导线的一部分插入电极座，玻璃壳1开口朝外；
抽真空，采用镀碳膜的方法（使用碳电极7）处理玻璃壳1内壁和铜导线，控制碳膜厚度在80nm-100um；取出镀碳膜（电极膜4、玻璃膜5）后的玻璃壳1和铜导线，移入在氩气保护下的手套箱内，备用；
S2、于一个玻璃壳内，滴入1-20 ml的镓基液态金属，形成液滴（液态金属球2）；
S3、用环形加热套夹持玻璃壳1的开口端，玻璃壳1开口被加热的部分变软，则将两根镀碳膜的铜导线探入玻璃管内部，使镀碳膜的部分处于玻璃管内部；再热合封闭玻璃管，使两根铜导线封合在里面，制成镓基液态合金倾斜开关。
S4、将制成的镓基液态合金倾斜开关从手套箱取出，进行性能检测，合格后包装，完成镓基液态合金倾斜开关的制作过程。
实施例2
一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，包括以下步骤：
S1、电极3镀膜：将电极3置于真空镀膜机中，电极3铜导线的一部分插入电极座；
抽真空，采用镀碳膜的方法处理铜导线，控制碳膜厚度在80nm-100um；取出镀碳后铜导线，移入在氩气保护下的手套箱内，备用；
A1、玻璃膜-涂层：如图3所示，将玻璃壳1与上、下两个保护套8相连接，放在喷涂设备的指定位置；使喷头9探入玻璃壳1内，启动喷涂装置，喷涂聚四氟乙烯涂料；
A2、摘下玻璃壳1的保护套8，将玻璃壳1的细端朝下插入陶瓷孔板，放入马弗炉内，加热80-220℃处理2-5 h，得到镀膜处理的玻璃壳1，移入在氩气保护下的手套箱内，备用；
S2、于一个玻璃壳1内，滴入1-20 ml的镓基液态金属，形成液滴（液态金属球2）；
S3、用环形加热套夹持玻璃壳1的开口端，玻璃壳1开口被加热的部分变软，则将两根镀碳膜的铜导线探入玻璃管内部，使镀碳膜的部分处于玻璃管内部；再热合封闭玻璃管，使两根铜导线封合在里面，制成镓基液态合金倾斜开关。
S4、将制成的镓基液态合金倾斜开关从手套箱取出，进行性能检测，合格后包装，完成镓基液态合金倾斜开关的制备。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，倾斜开关的外壳为玻璃，腔内的液态金属球为镓基液态金属；且，于玻璃壳内壁和腔内电极分别进行了表面镀膜处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，所述镀膜的厚度为80nm-100um。
3.根据权利要求1所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，所述镓基液态金属为1-20ml的液滴。
4.权利要求1所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，所述电极包括铜、铝、银或其合金电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，所述玻璃壳内壁的镀膜，包括碳膜、钨膜、铊膜、聚四氟乙烯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜、硅橡胶膜、聚醚醚酮膜、尼龙膜、聚对苯二甲酸乙二酯膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关，其特征在于，所述电极的镀膜，包括碳膜、钨膜、铊膜。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、镀膜：将玻璃壳和电极置于真空镀膜机中，玻璃壳一端和电极的一部分插入电极座，玻璃壳开口朝外；抽真空镀膜后，移入惰气保护的箱内，备用；
S2、于一个玻璃壳内，滴入镓基液态金属，形成液滴；
S3、将两根镀膜后的电极插入加热软化后的玻璃壳的开口部分，再热合封闭，使电极封合在玻璃壳腔内。
8.根据权利要求7所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中玻璃壳的膜为涂层膜，则，包括以下步骤：
A1、将玻璃壳与上、下两个保护套相连接，置于喷涂设备内，使喷头探入玻璃壳内，启动装置，完成涂料喷涂；
A2、摘下玻璃壳的保护套，将玻璃壳的细端朝下插入陶瓷孔板，放入马弗炉内，加热处理后，得到镀膜的玻璃壳。
9.根据权利要求8所述的一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关的制备方法，其特征在于，所述涂料包括聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶、聚醚醚酮、尼龙涂料，加热温度为80-220℃，时间为2-5 h。
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| CN201910283645.3A Pending CN110010403A (zh) | 2019-04-10 | 2019-04-10 | 一种基于镓基液态金属的玻璃倾斜开关及制备方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111534841A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-08-14 | 北京航空航天大学 | 一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用 |
| CN111883380A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-11-03 | 大连理工大学 | 一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法 |
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2019
- 2019-04-10 CN CN201910283645.3A patent/CN110010403A/zh active Pending
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| CN111534841B (zh) * | 2020-04-14 | 2021-07-30 | 北京航空航天大学 | 一种电场诱导液态金属在金属基底上的可逆润湿及应用 |
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