镓铟锡合金的制备
火星居士2014/01/18化学 IP:山东
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)
5f00dd54564e92582b1ce0d69e82d158ccbf4e85.jpg

固体镓
fd47034f78f0f736e2f82a390855b319ebc413a2.jpg

铟珠

556c78f0f736afc3370a595db119ebc4b74512a2.jpg
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
dca1b9014a90f60328f4fa7f3b12b31bb051ed61.jpg
  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  
9dcc76094b36acafe23af0c47ed98d1000e99cd7.jpg

202a4b36acaf2edd6e2b2fd18f1001e9380193d7.jpg

熔化铟和锡

63d9e6cd7b899e5134105c2c40a7d933c8950d0a.jpg

加入镓,进行第一次搅拌后的合金
158a8226cffc1e17c5cfe2094890f603738de9bd.jpg






冶炼好的galinstan
d405cffc1e178a82e94c1198f403738da977e8bd.jpg
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)
+50  科创币    【四方】    2014/01/18 高质量发帖
+50  科创币    qwe    2014/01/18 --
+1000  科创币    虎哥    2014/01/18 精彩。
+10  科创币    1996615xp    2014/01/18 非常不错
+200  科创币    trample    2014/01/19 有趣的实验
来自:数理化 / 化学
30
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
火星居士 作者
11年1个月前 IP:未同步
663544
82092834349b033bf8e792e217ce36d3d539bdba.jpg
072cd9f9d72a6059bbba8f222a34349b033bba07.jpg
a63c3a292df5e0fe7f16e7395e6034a85edf729b.jpg
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
迅龙
11年1个月前 IP:未同步
663554
沙发顶!一直很喜欢液态的合金。。。感觉很有科技范。。。以前做过钠钾合金(1:3)。。。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
托尼史塔克
11年1个月前 IP:未同步
663555
这个帖子非常好。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
迅龙
11年1个月前 IP:未同步
663556
貌似材料有些不便宜的说。。。看见你百度贴吧的签名了,那不是王牌空战里的小激光么。。。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
迅龙
11年1个月前 IP:未同步
663557
镓7元一克,铟8元一克。。。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663588
迅龙 发表于 2014-1-18 12:54
貌似材料有些不便宜的说。。。看见你百度贴吧的签名了,那不是王牌空战里的小激光么。。。


是啊。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663589
迅龙 发表于 2014-1-18 13:03
镓7元一克,铟8元一克。。。


我这边的制造成本是15元/克,计运费不计燃料费。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663590
本帖最后由 火星居士 于 2014-1-18 15:11 编辑

实际上批发价比这个低得多。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
enjoy我爱DOG
11年1个月前 IP:未同步
663610
总的来说很贵,但是很好玩啊,不过看起来像水银
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
硝基丙三醇
11年1个月前 IP:未同步
663612
这是大土豪哇[s:5][s:14]
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
aeolus
11年1个月前 IP:未同步
663634
液体合金,
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
1996615xp
11年1个月前 IP:未同步
663721
正在找一种液态金属可以代替汞,多谢!多谢!
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663750
本帖最后由 火星居士 于 2014-1-19 09:13 编辑

bf07b899a9014c080277469d087b02087bf4f459.jpg
81096059252dd42a88a36f93013b5bb5c9eab807.jpg
367a252dd42a2834950c583359b5c9ea15cebf07.jpg
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663749
1996615xp 发表于 2014-1-18 23:20
正在找一种液态金属可以代替汞,多谢!多谢!


镓铟锡合金的缺点就是粘,这一点比汞差远了。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
fuwen0202
11年1个月前 IP:未同步
663763
看起来很高级诶,话说,合成这个的用途是什嚒呢
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663764
fuwen0202 发表于 2014-1-19 10:48
看起来很高级诶,话说,合成这个的用途是什嚒呢


我们下一步的工作是对这些合金的理化性质进行研究,到时候我会上传这些研究的相关资料,现在正在进行数据整理。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
fuwen0202
11年1个月前 IP:未同步
663771
火星居士 发表于 2014-1-19 10:56
我们下一步的工作是对这些合金的理化性质进行研究,到时候我会上传这些研究的相关资料,现在正在进行数据 ...


我想问下钨l钼合金能自己做的么
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663772
fuwen0202 发表于 2014-1-19 11:11
我想问下钨l钼合金能自己做的么


这个真不知道,因为我们主要做低温合金,你要是有电弧炉的话应该会好一些。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
fuwen0202
11年1个月前 IP:未同步
663773
想要做x光管。。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
迅龙
11年1个月前 IP:未同步
663796
火星居士 发表于 2014-1-18 15:03
我这边的制造成本是15元/克,计运费不计燃料费。


要是能像冥灵哥那样玻封来玩估计也不错。。。呵呵。。。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年1个月前 IP:未同步
663799
迅龙 发表于 2014-1-19 12:59
要是能像冥灵哥那样玻封来玩估计也不错。。。呵呵。。。


看看吧。冥灵那边估计可以造,我们自己造主要是满足自身需求。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
1996615xp
11年1个月前 IP:未同步
663980
我看合金表面光泽度不好,请问一下可以去除表面渣滓使其光亮吗?
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
warmonkey
11年1个月前 IP:未同步
663986
Galinstan会浸润玻璃,温度计内壁需要涂上氧化镓防止浸润

“the inner tube must be coated with gallium oxide to prevent the alloy from wetting the glass surface.”
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/wiki/Galinstan
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年0个月前 IP:未同步
664205
warmonkey 发表于 2014-1-20 00:41
Galinstan会浸润玻璃,温度计内壁需要涂上氧化镓防止浸润

“the inner tube must be coated with galliu ...


是的。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年0个月前 IP:未同步
664206
1996615xp 发表于 2014-1-19 23:30
我看合金表面光泽度不好,请问一下可以去除表面渣滓使其光亮吗?


去除了之后,又会生成新的氧化层。别忘了,镓和铟与铝是同一主族的,比较容易生成氧化膜。
+2
科创币
1996615xp
2014-01-20
回答精彩
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年0个月前 IP:未同步
665830
warmonkey 发表于 2014-1-20 00:41
Galinstan会浸润玻璃,温度计内壁需要涂上氧化镓防止浸润

“the inner tube must be coated with galliu ...


我们也曾经考虑过,但后来感觉得不偿失就没有涂氧化镓。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火焰山
11年0个月前 IP:未同步
665907
真的无毒吗,可以伸手摸摸?
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年0个月前 IP:未同步
668771
火焰山 发表于 2014-1-28 15:42
真的无毒吗,可以伸手摸摸?


无毒是没问题的,但是用手摸后,受伤残留的镓会把你的手染成灰黑色,摸了之后洗洗手就行了。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
火星居士作者
11年0个月前 IP:未同步
669279
warmonkey 发表于 2014-1-20 00:41
Galinstan会浸润玻璃,温度计内壁需要涂上氧化镓防止浸润

“the inner tube must be coated with galliu ...


氧化镓我这里现在还不能量产,只能通过高温灼烧镓少量制备。
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
上级专业
同级专业
火星居士
学者 笔友
文章
28
回复
845
学术分
1
2011/03/30注册,8年0个月前活动
暂无简介
主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:邮箱
IP归属地:未同步
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}