CN110699585A - 一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种轻量化液态金属复合材料，包括液态金属、中空玻璃微球及封装材料，将中空玻璃微球与液态金属按特定比例混合，通过模具或手动捏造塑造成所需形状，在表面喷加封装材料即得，本发明轻量化液态金属复合材料密度低、刚度可控、可塑性强，可用于制备可调控刚度的器件以及可调控漂浮行为的器件，例如水面电路开关和水上机器人的漂浮部件，应用于水面电路及水中设备制造等多种领域。

Description

一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用

技术领域

本发明属于轻量化材料技术领域，特别涉及一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用。

背景技术

柔性机器人及水中机器人一直是人们关注的研究热点。如何设计实现小体积、低重量及多功能的柔性机器人是亟待解决的问题之一。液态金属因其高导电性、导热性及良好的流动性成为了材料领域的热点材料，被视为一种可能的解决方案。

但液态金属的密度高，所制造出的器件质量较重，限制了其在柔性机器人、可穿戴设备及水中设备中的应用。且其高表面张力和高流动性对其塑形产生了不利影响。

现有的轻量化材料多为高聚物材料，多不具备导电性，且塑形性及力学性质等均较差，难以满足机器人等领域对材料的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用，主要是通过将中空玻璃微球与液态金属按特定比例混合，从而降低其密度；利用该方法能够制造出低密度、刚度可控、可塑性强的轻量化液态金属材料，可应用于水面电路及水中设备制造等多种领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种轻量化液态金属复合材料，包括液态金属、中空玻璃微球及封装材料。

所述液态金属一般是指共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成；或为汞、铋、汞合金、铋合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金；其它组分的低熔点金属，如汞、铋、汞合金、铋合金，如镓铟锡合金、铋铟锡合金，也可使用。

所述中空玻璃微球是空心的玻璃球体，其材料一般为碱金属硼硅酸盐玻璃，直径为10-1000微米，真实密度一般为0.125-0.8g/cm³。

所述封装材料根据塑造出的器件形状进行选择，如果器件为平面结构，则选取防水清漆为封装材料；如果器件为立体结构，则选取薄膜材料作为封装材料。

所述液态金属、中空玻璃微球的用量体积比一般在1:30至1:10之间。封装材料则视成型后的器件的表面积而定，一般厚度为0.01mm-0.05mm。

本发明还提供了所述轻量化液态金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将中空玻璃微球置于容器中，称量液态金属加入该容器中；

2)将盛有液态金属和中空玻璃微球的容器置于通风橱中，充分搅拌至均匀混合，得到混合物；

3)取出混合物，通过模具或手动捏造塑造成所需形状，在表面喷加封装材料。

本发明轻量化液态金属复合材料可用于制备可调控刚度的器件，其刚度调控包括以下步骤：

1)将所述轻量化液态金属复合材料制备的器件置于所要应用的环境中

2)对所述器件进行冷却，刚度增加至金属级别；

3)对所述器件进行加热，刚度恢复至软材料级别。

所述冷却方式为直接在器件表面加液氮或置于冷却台上，冷却温度低于10℃；所述加热方式为直接在器件表面加热水或置于加热台上，加热至25℃及以上。

本发明轻量化液态金属复合材料还可用于制备可调控漂浮行为的器件，其漂浮行为调控包括以下步骤：

1)在器件防水封装过程中，在其上表面留出一小块未经封装的空白区域，称为触发区域，作为对其漂浮行为的调控开关；

2)用滴管吸取清水；

3)向漂浮于水面的所述轻量化液态金属复合材料制备的器件未经封装的区域即触发区域滴加清水，水因毛细作用进入玻璃微球缝隙间，材料密度增高，器件下沉。

由于材料采用了防水封装，所以放进水中的时候不会有水渗入，只有当在未封装区域滴加水时水才会渗入到器件中；之所以强调上表面是因为材料在漂浮状态下上表面始终是处于水面以上的，不会受到下面水的干扰，达到调控的准确性。

所述可调控漂浮行为的器件为水面电路开关，或为水上机器人的漂浮部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中的材料极大地减小了液态金属的密度，仅为原金属的3％到30％，甚至可以漂浮在水面上，传统液态金属无法做到这一点。

2、本发明中的材料具有很好的塑形性，可以塑造成任意所需形状，传统的液态金属很难有这种塑形性。

3、本发明中的材料具有优良的导电性、导热性等金属性质，传统的轻量化材料多为有机物，导电性、导热性均很差。

4、本发明中材料的具有可逆的刚度调控性质，传统的轻量化材料不具有这种功能。

附图说明

图1是本发明所述的轻量化液态金属复合材料内部分布示意图。

图2是本发明所述的轻量化液态金属复合材料器件密度调控方法示意图。

图3是本发明所述轻量化液态金属复合材料在水面电路中的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行描述。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

参考图1，本发明中所述的轻量化液态金属复合材料，主要包括中空玻璃微球1、液态金属2以及最终的封装材料(图中未显示)。

将其根据所需形状进行塑形及封装后，放入水中即可漂浮。

如需对其进一步进行刚度调控，可遵循以下步骤：

1)将需要刚度调控的器件置于相应环境中。

2)通过向器件加入液氮或冷却台等方法对其进行冷却，刚度增加至金属级别。

3)向器件注入热水或将其置于加热台上，刚度恢复至软材料级别。

参考图2，轻量化液态金属复合材料器件的漂浮行为进行调控方法，包括以下步骤：

1)用滴管11吸取适量清水12。

2)对漂浮于水13面的轻量化液态金属器件14上表面滴加适量清水，水因毛细作用进入玻璃微球缝隙间，材料密度增高，器件下沉。

以下是本发明的两个具体应用实施例。

实施例1：

轻量化液态金属复合材料在水面电路中的应用。

本发明中所述的材料可以作为水面电路开关的原材料。如图2所示，该水面电路由连接有外加电源的导线21、发光二极管22置于水23中组成，轻量化液态金属复合材料所制成的漂浮开关24漂浮在水面。当开关24未连接入电路中时，发光二极管23不发光。当开关24连入电路后，电路导通，发光二极管23发光。这种对水上电路的设计提供了新的思路

实施例2：

轻量化液态金属复合材料在水上机器人的应用。

本发明中所述材料可以作为水上机器人的漂浮部件的设计原材料。当直接放入水中时，因其低密度的特性，水上机器人可以漂浮于水面上。当需要其下潜时，对漂浮部件注入适量清水，其密度即可得到调节，从而实现部分下潜、悬停及完全下潜的行为。这为可控制位置的水下软体机器人的设计提供了新的方法，实现了准确的控制。

由此可见，本发明可以制造出低密度、刚度可控、可塑性强的轻量化液态金属材料，可以应用于水面电路及水中设备制造等多种领域。

Claims (10)

1.一种轻量化液态金属复合材料，其特征在于，包括液态金属、中空玻璃微球及封装材料。

2.根据权利要求1所述轻量化液态金属复合材料，其特征在于，所述液态金属为由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成的共晶镓铟合金；或为汞、铋、汞合金、铋合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金；所述中空玻璃微球是空心的玻璃球体，其材料为碱金属硼硅酸盐玻璃，直径为10-1000微米，真实密度为0.125-0.8g/cm³；所述封装材料根据塑造出的器件形状进行选择，如果器件为平面结构，则选取防水清漆为封装材料；如果器件为立体结构，则选取薄膜材料作为封装材料。

3.根据权利要求1或2所述轻量化液态金属复合材料，其特征在于，所述液态金属、中空玻璃微球的用量体积比一般在1:30至1:10之间，封装材料视成型后的器件的表面积而定，一般厚度为0.01mm-0.05mm。

4.权利要求1所述轻量化液态金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将中空玻璃微球置于容器中，称量液态金属加入该容器中；

2)将盛有液态金属和中空玻璃微球的容器置于通风橱中，充分搅拌至均匀混合，得到混合物；

3)取出混合物，通过模具或手动捏造塑造成所需形状，在表面喷加封装材料。

5.权利要求1所述轻量化液态金属复合材料制备可调控刚度的器件的应用。

6.根据权利要求5所述应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述轻量化液态金属复合材料制备的器件置于所要应用的环境中；

2)对所述器件进行冷却，刚度增加至金属级别；

3)对所述器件进行加热，刚度恢复至软材料级别。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于，所述冷却方式为直接在零件表面加液氮或置于冷却台上，冷却温度低于10℃，所述加热方式为直接在零件表面加热水或置于加热台上，加热至25℃及以上。

8.权利要求1所述轻量化液态金属复合材料制备可调控漂浮行为的器件的应用。

9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)在器件防水封装过程中，在其上表面留出一小块未经封装的空白区域，称为触发区域，作为对其漂浮行为的调控开关；

2)用滴管吸取清水；

3)向漂浮于水面的所述轻量化液态金属复合材料制备的器件触发区域滴加清水，水因毛细作用进入玻璃微球缝隙间，材料密度增高，器件下沉。

10.根据权利要求8所述应用，其特征在于，所述可调控漂浮行为的器件为水面电路开关，或为水上机器人的漂浮部件。

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