CN114621802A - 一种镓基液态金属高温润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，主要步骤为：采用1～5wt％Bi对Ga‑In‑Sn液态金属进行合金化，对Ga‑In‑Sn液态金属进行充分氧化，在合金化液态金属中搅拌混合添加1～4wt％的液态金属氧化物。利用合金化改善液态金属的粘度和润湿性，利用镓基液态金属本征氧化物提高了粘度，实现了与合金化液态金属基体的良好界面。本发明工艺简单，制备的镓基液态金属高温润滑剂在100～200℃范围内实现了良好的润滑性能。

Description

一种镓基液态金属高温润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及润滑材料技术领域，具体是一种镓基液态金属高温润 滑剂的制备方法。

背景技术

对于机械制造业领域，润滑剂的研发是核心的关键技术之一。运 动零部件的摩擦磨损是设备损坏和能量损失的主要原因；可靠润滑剂 不仅能保证机械零部件稳定、可靠运行，而且能够充分减摩，实现节 能减排，达成低碳。不同种类和型号的润滑油、润滑脂、离子液体， 在我国经济社会建设和国防军工中发挥着突出的作用。但是，对于部 分特定关键装置，上述润滑剂是不适用的。医疗放射领域和核领域的 工况，不仅要求润滑剂实现减摩，而且要求润滑剂满足足够的导电和 导热性能。镓基液态金属，在室温～2000℃内能够保持液态，金属元 素本质保证了良好的导电性和导热性，流体特征实现了较好的润滑性 能(Tribology International,141,2020,105904)。在医疗放射领域和核 领域，镓基液态金属是理想的润滑剂。进口CT设备的X射线管轴承 采用的就是镓基液态金属，我国目前还不能实现X射线管轴承的自 主制备，关键原因就是没有攻克有效润滑剂的研制问题。

随着检测运行指标的提高和更高端性能的实现，医疗放射领域和 核领域的轴承零件需要在较高的温度下进行服役，这就要求镓基液态 金属润滑剂在较高的温度下要实现良好的润滑性能。然而，高温环境 会降低液态金属的粘度，影响其润滑性能；必须提高镓基液态金属的 高温粘度。添加相界面结构和粘度对润滑剂的润滑性能，同样具有重 要作用。对于镓基液态金属，填加无机相(如二氧化硅)能够有效提 高其高温粘度；但是液态金属与绝大多数无机相的界面结构，在高温 下会显著恶化，会导致润滑失效。因此如何提高合金粘度的同时，保 持良好的界面结构，成为了高温润滑剂的难点。

本发明创新地采用镓基液态金属本征氧化物作为润滑性的粘度 增强相，一方面利用氧化物添加相结构，提高液态金属的粘度；另一 方面，利用氧化物基体的镓基液态金属成分，实现添加相与基体之间 的良好界面；为解决液态金属高温润滑剂的难点，开辟了一条可行的 道路。

除了采用添加相外部武装，通过合金化的方式，对液态金属进行 内部结构强化，也能有效改进润滑性能。本发明通过添加Bi，不仅 有效提高了液态金属的润湿性和粘度，进一步保证了液态金属的高温 润滑性能；而且Bi元素是固溶在Ga-In-Sn液态金属中，改性后的液 态金属与液态金属氧化物依然保持了良好的接触界面。

综上所述，针对我国医疗和核领域对液态金属高温润滑剂的需求， 面向现有液态金属高温下粘度降低的问题，创新性地采用内部合金化 强化与外部添加相辅助相互结合的方式；内部添加Bi，提高粘度和 润湿性；外部添加相创新性地采用镓基液态金属本征氧化物，提高粘 度的同时，实现了添加相与合金化液态金属基体的良好界面。本发明 制备的液态金属润滑剂在高温下具有良好的润滑性能，在医疗、核领 域以及冉冉升起的软体机器人领域具有重要应用潜力。

发明内容

本发明提供一种镓基液态金属高温润滑剂及其制备方法。本发明 的镓基液态金属高温润滑剂基于液态金属合金化和液态金属氧化物 的添加，获得了优异的高温润滑性能。

本发明的一种镓基液态金属高温润滑剂，其特征在于，该镓基液 态金属高温润滑剂包括合金化液态金属和液态金属氧化物，其组成比 例为：(合金化液态金属)_(100-y)wt％-(液态金属氧化物)_{y wt％}，4≥y ≥1；

其中，合金化液态金属由Bi、Ga、In、Sn组成，组成比例为： (Ga-In-Sn基础液态金属)_(100-x)wt％Bi_{x wt％}，5≥x≥1；

液态金属氧化物为Ga-In-Sn液态金属的氧化物。

本发明镓基液态金属高温润滑剂制备方法，具体步骤如下：

1)合金化

在无氧环境下，按照(Ga-In-Sn基础液态金属)_(100-x)wt％Bi_{x wt％}， 5≥x≥1的比例称取Bi、Ga、In、Sn，置于锥形瓶中，然后将锥形瓶 置于200～250℃的油浴锅中，磁子搅拌0.5～1.5小时，冷却得到合金 化液态金属；

2)氧化

将Ga-In-Sn基础液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中， 大气环境高温保温，实现初步氧化；然后将烧杯置于200～250℃的油 浴锅中，大气环境下磁子搅拌0.5～1.5小时，充分氧化，冷却得到液 态金属氧化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_(100-y)wt％-(液态金属氧化物)_{y wt％}，4 ≥y≥1的比例称取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶 中,磁子搅拌0.5～1.5小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超 声分散0.5～1小时，得到镓基液态金属高温润滑剂。

作为进一步优选的实施方案，所述Ga-In-Sn基础液态金属优选 质量百分比为：Ga₆₅In₂₂Sn₁₃；

作为进一步优选的实验方案，所述氧化步骤中的Ga-In-Sn基础 液态金属，由Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶中，在180℃油浴锅中 搅拌1～1.5小时，冷却获得；

作为进一步优选的实施方案，所述无氧环境为氩气氛围的手套箱， 其氧气含量≤10ppm；

作为进一步优选的实施方案，所述Bi为粉末，粒度为50～100nm；

作为进一步优选的实施方案，所述Ga、In、Sn、Bi原料的纯度 均为99.99％；

作为进一步优选的实施方案，马弗炉中高温保温，工艺为 250～400℃保温1～4小时。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用Bi合金化，实现了Ga-In-Sn液态金属粘度和 润湿性的提高；利用镓基液态金属本征氧化物作为添加相，提高了液 态金属的粘度，实现了粘度添加相与合金化液态金属的良好界面，解 决了粘度添加相在高温下与基体的界面劣化导致润滑性能下降的问 题。

(2)本发明制备的镓基液态金属高温润滑剂，主要由金属元素 构成，具有优异的导电性和导热性，且在100～200℃范围内实现了良 好的润滑性能。

(3)本发明工艺简单，能直接进行大规模生产。

附图说明

图1是实施例1所制备[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_97wt％Bi_3wt％合金化液态金 属]_97wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_3wt％镓基液态金属高温润滑剂介质环境 下在100℃的摩擦系数曲线；

图2是添加实施例2所制备[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金化液 态金属]_99wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_1wt％镓基液态金属高温润滑剂介质 环境下在150℃的摩擦系数曲线；

图3是添加实施例3所制备[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_95wt％Bi_5wt％合金化液 态金属]_96wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_4wt％镓基液态金属高温润滑剂介质 环境下在200℃的摩擦系数曲线；

图4是对比例1未添加润滑剂的对磨材料在100℃的摩擦系数曲 线；

图5是对比例2(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_97wt％-(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物)_3wt％ 镓基液态金属高温润滑剂介质环境下在100℃的摩擦系数曲线；

图6是对比例3(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金化液态金 属]_99wt％-SiO_{2 1wt％}镓基液态金属高温润滑剂介质环境下在150℃的摩 擦系数曲线；

图7是镓基液态金属高温润滑剂的性能实现机理图。

具体实施方式

下面将结合本发明的具体实施例与附图对本发明的技术方案进 行清楚、完整地描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明一部分实施 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 人员在没有作出创造性劳动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。

实施例1

一种镓基液态金属高温润滑剂[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_97wt％Bi_3wt％合金化 液态金属]_97wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_3wt％的制备方法：

1)合金化

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _97wt％Bi_3wt％的比例称取Bi、Ga、In、Sn原料，Bi为粉末，粒度为50～100nm， Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％；将称取的原料置于锥形瓶 中，然后将锥形瓶置于200℃的油浴锅中，磁子搅拌1.5小时，冷却 得到合金化镓基液态金属；

2)氧化

按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃质量百分比称取Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶 中，在180℃油浴锅中搅拌1小时，冷却获得基础镓基液态金属，将 基础镓基液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境在 300℃保温2小时，实现初步氧化；然后将烧杯置于200℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌1.5小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧 化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_97wt％-(液态金属氧化物)_3wt％的比例称 取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中,磁子搅拌0.5 小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散0.5小时，得到 镓基液态金属高温润滑剂。

实施例2

一种镓基液态金属高温润滑剂[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金化 液态金属]_99wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_1wt％的制备方法：

1)合金化

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤8ppm，按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _99wt％Bi_1wt％的比例称取Bi、Ga、In、Sn原料，Bi为粉末，粒度为50～100nm， Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％；将称取的原料置于锥形瓶 中，然后将锥形瓶置于250℃的油浴锅中，磁子搅拌0.5小时，冷却 得到合金化镓基液态金属；

2)氧化

按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃质量百分比称取Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶 中，在180℃油浴锅中搅拌1.5小时，冷却获得基础镓基液态金属， 将基础镓基液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境在 250℃保温4小时，实现初步氧化；然后将烧杯置于250℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌0.5小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧 化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_99wt％-(液态金属氧化物)_1wt％的比例称 取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中,磁子搅拌0.5 小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散1.0小时，得到 镓基液态金属高温润滑剂。

实施例3

一种镓基液态金属高温润滑剂[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_95wt％Bi_5wt％合金化 液态金属]_96wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_4wt％的制备方法：

1)合金化

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _95wt％Bi_5wt％的比例称取Bi、Ga、In、Sn原料，Bi为粉末，粒度为50～100nm， Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％；将称取的原料置于锥形瓶 中，然后将锥形瓶置于220℃的油浴锅中，磁子搅拌1.0小时，冷却 得到合金化镓基液态金属；

2)氧化

按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃质量百分比称取Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶 中，在180℃油浴锅中搅拌1.2小时，冷却获得基础镓基液态金属， 将基础镓基液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境在 400℃保温1小时，实现初步氧化；然后将烧杯置于220℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌1.0小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧 化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_96wt％-(液态金属氧化物)_4wt％的比例称 取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中,磁子搅拌1.5 小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散1.0小时，得到 镓基液态金属高温润滑剂。

实施例4

一种镓基液态金属高温润滑剂[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_98wt％Bi_2wt％合金化 液态金属]_98wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_2wt％的制备方法：

1)合金化

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _98wt％Bi_2wt％的比例称取Bi、Ga、In、Sn原料，Bi为粉末，粒度为50～100nm， Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％；将称取的原料置于锥形瓶 中，然后将锥形瓶置于200℃的油浴锅中，磁子搅拌1.0小时，冷却 得到合金化镓基液态金属；

2)氧化

按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃质量百分比称取Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶 中，在180℃油浴锅中搅拌1.0小时，冷却获得基础镓基液态金属， 将基础镓基液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境在 300℃保温2小时，实现初步氧化；然后将烧杯置于200℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌1.0小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧 化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_98wt％-(液态金属氧化物)_2wt％的比例称 取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中，磁子搅拌1.2 小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散0.8小时，得到 镓基液态金属高温润滑剂。

对比例2

将不进行Bi合金化，直接添加液态金属氧化物的(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _97wt％-(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物)_3wt％作为对比例2；

制备方法：

1)Ga₆₅In₂₂Sn₁₃液态金属制备

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃的比例称取Ga、In、Sn原料，Ga、In、Sn原料的纯度均为99.99％； 将称取的原料置于锥形瓶中，然后将锥形瓶置于200℃的油浴锅中， 磁子搅拌1.5小时，冷却得到Ga₆₅In₂₂Sn₁₃液态金属；

2)氧化

按照Ga₆₅In₂₂Sn₁₃质量百分比称取Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶 中，在180℃油浴锅中搅拌1小时，冷却获得基础镓基液态金属，将 基础镓基液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境在300℃保温2小时，实现初步氧化；然后将烧杯置于200℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌1.5小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧 化物；

3)混合

按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃液态金属)_97wt％-(液态金属氧化物)_3wt％的比 例称取Ga₆₅In₂₂Sn₁₃液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中,磁子 搅拌0.5小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散0.5小 时，得到对比例2。

对比例3

将采用传统的粘度增强剂SiO₂的(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金 化液态金属]_99wt％-SiO_{2 1wt％}作为对比例3；

制备方法：

1)合金化

在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤8ppm，按照(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃) _99wt％Bi_1wt％的比例称取Bi、Ga、In、Sn原料，Bi为粉末，粒度为50～100nm， Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％；将称取的原料置于锥形瓶 中，然后将锥形瓶置于250℃的油浴锅中，磁子搅拌0.5小时，冷却 得到Bi合金化液态金属；

2)混合

按照(Bi合金化液态金属)_99wt％-SiO_{2 1wt％}的比例称取合金化液态 金属和SiO₂，置于锥形瓶中,磁子搅拌0.5小时，然后将锥形瓶置于 超声波清洗器中，超声分散1.0小时，得到对比例3的液态金属。

性能测试实验

摩擦磨损性能实验

将实施例1-4制得的镓基液态金属高温润滑剂作为试验组。将未 添加润滑剂作为对比例1，和对比例2、对比例3一起作为对比组。

使用德国的SRV摩擦磨损试验机进行测试，对磨材料为GCr15 钢块和Si₃N₄球，实验温度为100℃、150℃、200℃，实验载荷为100N， 频率为25Hz,振幅为1mm，实验时间为30min；采用吸管将液态金 属高温润滑剂，滴在GCr15钢块和Si₃N₄球之间，然后开始实验；实 验设备自动记录摩擦系数。

实验结果见附图1～6和表1

表1实施例1-4所得镓基液态金属高温润滑剂介质下的摩擦系数

由表2可以看出，相同摩擦实验条件下，实施例1-4的液态金属 介质下，在100～200℃范围内，摩擦系数在0.2～0.25；对比例1为添 加液态金属条件下，在100～200℃范围内，摩擦系数在0.79～0.82，可 见，实施例1-4制得的镓基液态金属高温润滑剂具有良好的高温润滑 性能。尤其是，实施例1[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_97wt％Bi_3wt％合金化液态金 属]_97wt％-[Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_3wt％在100～200℃范围内，摩擦系数在 0.21～0.22；而对比例2(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_97wt％-(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物)_3wt％ 在100～200℃范围内，摩擦系数在0.31～0.33，Bi合金化行为，大幅 度提高了液态金属润滑剂与液态金属氧化物的相容性，提高了润滑性 能。实施例2[(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金化液态金属]_99wt％- [Ga₆₅In₂₂Sn₁₃氧化物]_1wt％在100～200℃范围内，摩擦系数在0.24～0.25， 而对比例3(Ga₆₅In₂₂Sn₁₃)_99wt％Bi_1wt％合金化液态金属]_99wt％-SiO_{2 1wt％}， 在100～200℃范围内，摩擦系数在0.42～0.43，证明液态金属氧化物， 能够解决高温下界面劣化的问题，相比传统的SiO₂能够发挥明显优 异的润滑作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种镓基液态金属高温润滑剂，其特征在于，该镓基液态金属高温润滑剂包括合金化液态金属和液态金属氧化物，其组成比例为：(合金化液态金属)_(100-y)wt％-(液态金属氧化物)_ywt％，4≥y≥1；

其中，合金化液态金属由Bi、Ga、In、Sn组成，组成比例为：(Ga-In-Sn基础液态金属)_(100-x)wt％Bi_xwt％，5≥x≥1；

液态金属氧化物为Ga-In-Sn液态金属的氧化物。

2.一种权利要求1所述镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)合金化

在无氧环境下，按照(Ga-In-Sn基础液态金属)_(100-x)wt％Bi_xwt％，5≥x≥1的比例称取Bi、Ga、In、Sn，置于锥形瓶中，然后将锥形瓶置于200～250℃的油浴锅中，磁子搅拌0.5～1.5小时，冷却得到合金化液态金属；

2)氧化

将Ga-In-Sn基础液态金属置于烧杯中，将烧杯放入马弗炉中，大气环境高温保温，实现初步氧化；然后将烧杯置于200～250℃的油浴锅中，大气环境下磁子搅拌0.5～1.5小时，充分氧化，冷却得到液态金属氧化物；

3)混合

按照(合金化液态金属)_(100-y)wt％-(液态金属氧化物)_ywt％，4≥y≥1的比例称取合金化液态金属和液态金属氧化物，置于锥形瓶中,磁子搅拌0.5～1.5小时，然后将锥形瓶置于超声波清洗器中，超声分散0.5～1小时，得到镓基液态金属高温润滑剂。

3.根据权利要求2所述的一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，所述Ga-In-Sn基础液态金属优选成分质量百分比为：Ga₆₅In₂₂Sn₁₃。

4.根据权利要求2所述的一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，所述氧化步骤中Ga-In-Sn基础液态金属，由Ga、In、Sn原料，置于锥形瓶中，在180℃油浴锅中搅拌1～1.5小时，冷却获得。

5.根据权利要求2所述的一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，所述无氧环境为氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm。

6.根据权利要求2所述的一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，所述Bi为粉末，粒度为50～100nm；所述Ga、In、Sn、Bi原料的纯度均为99.99％。

7.根据权利要求2所述的一种镓基液态金属高温润滑剂的制备方法，其特征在于，所述马弗炉中高温保温，工艺为250～400℃保温1～4小时。

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