一种温控不可逆相变多孔液态金属材料及其制备和应用的制作方法

本发明属于多孔液态金属材料技术领域，特别涉及一种温控不可逆相变多孔液态金属材料及其制备和应用。

背景技术：

传统的常温液态金属如汞，已经有很长的应用历史，但是其毒性限制了其应用，现在镓金属及其合金作为液态金属慢慢成为材料领域的一颗明星。它不仅具有良好的导电性能以及导热性能，而且还有可变形性，使得液态金属机器人从科幻走向现实，之前报道液态金属吞食少量铝之后可以运动超过一小时，液态金属良好的变形性为软体机器人的制备提供了可能。液态金属的生物相容性良好，有报道表明镓铟液态金属可以作为连接神经的生物材料。未来液态金属也有望作为载药材料植入体内，但是这种材料密度较高，同时流动性很强，载药和固定位置有一定的困难。若是全部用固体则在注射过程中又会产生困难，所以我们希望能够制备出可以在固液之间相变的材料，当在液体状态下注射，到达指定位置时，则变为固态进行固定。我们通过在液态金属中添加一些无毒纳米材料，可以使得液态金属具有多种特异的性能，比如具有低密度的多孔结构，可以在液体环境中悬浮或者漂浮。同时具有高导电性和好的热绝缘性。最重要的一点，这种材料可以实现材料的升温不可逆相变，这一现象有别于传统的理论。

技术实现要素：

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温控不可逆相变多孔液态金属材料及其制备和应用，可以解决当前液态金属在生物医药领域的不足，比如固定形状困难，密度大，运动和相变不易控制。通过加入金属颗粒，使得具有多孔低密度结构，同时具有软物质的特点。通过磁场可以控制其运动。整个制备过程操作简单，原材料易得，过程可控性强，密度可以调整。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种温控不可逆相变多孔液态金属材料，在液态金属内部有多孔结构，多孔结构中含有诸如氢气等气体，常态为液态，降温或者升温都能够由液相变为固相。

具体地，所述温控不可逆相变多孔液态金属材料的熔点在25度左右，低温可以保存，约在60度时开始固化，固化后降温不会恢复液体状态。但是通过加入高浓度盐酸并搅拌后，可以恢复成液体状态。

所述液态金属为镓基系列合金，如镓铟合金，镓锡合金，镓铟锡合金，镓锌合金等，所述气体为氢气。

所述降温是降温至凝固点15℃，所述升温是指升温至50℃及以上，常态是指室温常压。降温由液相变为固态金属，升温由液相变为固相软金属。

所述固相软金属的强度受酸碱度控制，当在碱性环境下，强度增大。

升温后密度减小，使得能够漂浮在水面和乙醇表面。

在静置条件下，随着时间推移，经过3-5小时(时间随铁粉含量而变化)后，液态逐渐变为固态。

本发明所述温控不可逆相变多孔液态金属材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在液态金属表面铺撒微纳米铁粉颗粒，之后加入盐酸直至完全浸没液态金属，搅拌使得铁粉完全消耗，并通过磁场分离去除掉低磁性的液态金属，获得强磁性液态金属；

步骤2：强磁性液态金属在盐酸中发生氧化还原反应，产生大量氢气，通过加热强磁性液态金属使其膨胀形成多孔结构。

所述步骤1中，液态金属和微纳米铁粉颗粒的质量比为(10:1)～(2；1)，盐酸足量；磁场强度50高斯以上，吸附强磁性液态金属，弱磁性液态金属返回步骤1中继续使用。

所述步骤2得到的材料中微纳米铁粉颗粒质量含量为15％时，性能最佳，通过60℃以上加热十分钟既可以变为多孔低密度的软金属材料。

本发明所述温控不可逆相变多孔液态金属材料，导电性好，电导率约为0.2x10⁷s/m，绝热性能良好，热导率约为0.3w/mk。孔隙率高，可变形能力强。可作为软物质在诸如软体机器人等许多领域有应用，制备能量吸收器、减震缓冲器、酸碱传感器以及电学传感器。由于其液态升温变为固态过程不可逆，可以在常温时液态注射进去，然后随着时间推移或者升温即可不可逆的变为固态。这在医学领域诸如血管堵塞，药物输送等方面有着广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

金属轻量化，密度小于0.5g/ml，多孔结构可载药，绝热性导电性能良好，升温固化不可逆，通过调节温度或时间均可以把常温下流动的液态变为固态软物质金属，在不同的酸碱性可以得到不同强度的多孔金属。多孔固态的金属加入浓盐酸搅拌后又可以恢复成液态，在有水的情况下，可以重复产生多孔结构，当将其多孔结构破坏后，又会不断重复产生新的多孔结构。

附图说明

图1是温控相变不可逆液态金属制备图。

图2是温控相变不可逆液态金属材料在肿瘤血管堵塞方面的应用示意图。

图3是温控相变不可逆液态金属材料在金属结构修补方面的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、制备方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例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做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。

本发明是一种不可逆相变多孔液态金属材料的制备方法及其应用，由液态金属镓铟合金作为原材料制备，通过加入铁粉和盐酸，用磁场富集铁粉，加热或者静置都可以达到多孔低密度的结构，升温由液态变为固态，且体积膨胀，并且温控不可逆。具体过程如图1所示，包括：

步骤一：液态金属1为镓铟合金，将10ml的液态金属1放置在烧杯2中，并在液态金属1表面铺撒2g微纳米铁粉颗粒3，之后将9％质量分数的盐酸溶液4倒入烧杯2中，直至完全浸没液态金属1，搅拌5分钟使得铁粉完全消耗，并通过50高斯磁场分离去除掉低磁性的液态金属，获得强磁性液态金属5。

步骤二：强磁性液态金属5。在盐酸溶液4中发生氧化还原反应，产生大量的氢气6，通过加热强磁性液态金属5使其膨胀形成多孔结构，并且升温使得由液体变为固体状态，加热的过程发生反应

ga2o+h2o→3h2+ga2o3

镓铟合金可以自发形成氧化物，只要有空气和水的情况下，就可以源源不断的产生氢气，体积膨胀后即可获得不可逆相变多孔液态金属材料7。

此种材料应用的具体实施例通过以下方法实现：

如图2所示，在肿瘤血管堵塞方面的应用，不可逆相变多孔液态金属材料7在室温环境中保持液体状态，而升高温度可以促进其进一步氧化，装换为固体状态，并且降低温度不会回到液体状态。在体外环境中将不可逆相变多孔液态金属材料7吸入到注射器8内，由注射器8注射进血管9中。在温度较高的血管9中不可逆相变多孔液态金属材料7被氧化为固体状态，并且膨胀，可以堵塞特定的血管9，用于阻断肿瘤细胞的营养供应。

如图2所示，在金属结构修补方面的应用，不可逆相变多孔液态金属材料7在常温环境中处于粘稠液体状态，可以方便地塑造成特定的形状，填补在特定形状的金属结构缺陷10处；之后加热不可逆相变多孔液态金属材料7使其氧化，转化为固体状态，与金属结构缺陷10形成完整结构。

综上，本发明液态金属内部有多孔结构，多孔结构中含有气体，常态为液态，降温或者升温都能够由液相变为固相，降温后可成为高密度高强度的固态金属，升温也可以由液态变为疏松多孔的固态金属，升温后再通过降温不可以变为液体状态，经过高温处理即可将液态永久的变为固态物质，此物质具有孔隙率高，密度小，导电性好，绝热效果佳，稳定性好，磁性优良等优点，还具有金属材料的特点，这种高温使得液固相变打破了传统的相变原理，并且升温处理可以让液态的物质永久固化，这种材料结合了许多优良的性质，在电子工业，体内机器人，磁控驱动，金属修补等领域有着重要的应用。

以上所述的仅是本发明优选实施方案，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。