一、前言与简介
镓铟(锡)合金作为一种新的无毒无污染液体金属,因其无毒,无污染,熔点低等特点,作为汞的替代品广泛应用于散热器,温度计中。但是,由于制造成本的高昂,镓铟(锡)合金目前的应用还不广泛,而国外也只是少部分同仁制造并研究了这种合金。至于国内,目前能够有能力大量制造并进行了系统研究的同仁更是少数。本文作为镓铟锡合金制备及其性质研究的一部分,重点研究并总结了比较简单的合金制备方法,方便其他有兴趣的同仁制备并研究。
二、具体制备过程与冶炼法
目前应用最为广泛的镓铟锡合金是一种名为galinstan的专利合金,它在低温环境下依然能够保持液态,再加上成本较镓铟合金低,因此也是制造最多的镓铟锡合金。
我最早从《视觉之旅:神奇的化学元素2》一书中看到了galinstan的配方,随即萌生了制备该合金的想法。后又从维基百科上找到了关于这种合金的一些资料,现将原文呈述于下(只引用简介部分):
Galinstan is a commercial liquid metal alloy whose composition is taken from afamily of eutecticalloys mainly consistingof gallium, indium, and tin. Such eutectic alloys are liquids atroom temperature, typically melting at −19 °C (−2 °F).[1] Due to the low toxicity and low reactivity of itscomponent metals, galinstan finds use as a replacement for many applicationsthat previously employed toxic liquid mercury or reactive NaK (sodium-potassium alloy). Anexample of a typical eutectic composition is 68 wt% Ga, 22 wt% In and 10 wt%Sn, though it varies between 62 wt% to 95 wt% Ga, 5 wt% to 22 wt% In, 0 wt% to16 wt% Sn while keeping eutectic ability. The marketing name is a portmanteau of gallium,indium, and stannum (Latin for"tin"). Galinstan is a registeredtrademark of the Germancompany Geratherm Medical AG. The exact composition of Galinstan is notpublicly known.
从上面的资料中,可以看出一个普遍使用的配方是质量分数68.5%的镓,21.5%的铟和10%的锡。后来,鄙人发现大部分国外同仁也是使用了这一配方(galinstan真正的具体配方目前还是机密)。
在掌握配方之后,便开始进行冶炼。
首先是原料。由于液态镓的表面张力较小,因此会粘附在玻璃或塑料容器壁上,造成最终投料时镓的加入量偏小。因此,在制备时,最好是使用固态的镓,如果熔化了,可以在冰箱里先冷冻,使其凝固后再取出,这可以有效的避免投料量的减少。至于铟,我选用了铟珠。选用铟珠主要是为了方便与锡混合,并在熔化后能够较快形成熔融合金
。同样,为了方便融合,我选用了锡粒(镓和铟是由冥灵化试提供的,而锡则是由东北有色金属提供)
固体镓
铟珠
锡粒
其次是制备工具。由于三种组分中,锡的熔点最高,而锡的熔点只有231.9摄氏度,因此可以使用普通的喷灯或喷枪。不过,我最终选用的热源是煤气灶。主要原因是煤气灶火焰稳定,燃烧安全,操作简单,也有足够熔化三种合金组分的温度。
至于容器,我最终选择的是镍坩埚。开始时我曾经考虑过使用我的石墨坩埚,因为石墨坩埚的热稳定性好,导热较快。但是,由于我的石墨坩埚中出现了一些尘土且无法清理,因此,为避免尘土污染合金,我最终选择了相对光洁的镍坩埚。镍坩埚唯一的不足就是会粘料,不过这并非不可克服的困难。
接下来,便是最关键的冶炼法。由于镓极易熔化,因此,如果先将镓加入坩埚,再加入铟和锡的话,不仅会让铟和锡的熔化更为困难,而且,铟和锡还会被熔化的镓淹没,导致很难判断铟和锡是否已经熔化。因此,我在进行冶炼时,先将铟和锡混合均匀后放入坩埚中加热,待铟和锡熔化后加入镓,从而完成合金的制备。
8月11日,我进行了第一批25克galinstan的试制。下图为试制成功的galinstan合金
首先是铟和锡的氧化问题。在熔化后,铟珠和锡粒表面迅速生成了黑色的氧化层,而在使用搅拌棒搅拌后,成滩的液态铟和锡表面又生成了氧化层,使得铟和锡的实际质量减少。
另一个问题就是镓的粘附问题。由于当时是暑假,镓由于高温熔化,使得一小部分镓粘附在了盛镓的烧杯上,导致少加了约1克镓。
尽管如此,第一次试制的合金还是符合要求的,经过了0度环境的冷冻测试。在0摄氏度环境下依然保持液态。
在吸取第一次试制的教训后,我于9月13日进行了第二批50克galinstan的制备。在第一次的基础之上,我又改进了冶炼法:
在铟和锡熔化后,不进行搅拌,只划一下,确认已经熔化后便加入固体镓。而在镓加入后,先轻轻搅拌几下,以免组分无法混合。在关火冷却后,再进行二次搅拌,使合金混合得更均匀。以下是制备过程中拍摄的图片
熔化铟和锡
加入镓,进行第一次搅拌后的合金
冶炼好的galinstan
封装完毕的galinstan
至此,可以整理一下制备法的程序:
混合铟和锡,开始加热
用搅拌棒试探一下,确认铟和锡熔化
加入固体镓
第一次搅拌
关火,二次搅拌,制备完成
这种方法也适用于镓铟合金的制作,与固熔法相比,混合得更充分,均匀。
(未完待续)
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