一种镓基液态金属高温润滑剂及其制备方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。


技术实现要素：

7.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。
8.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；
9.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；
10.液态金属氧化物为ga-in-sn液态金属的氧化物。
11.本发明镓基液态金属高温润滑剂制备方法，具体步骤如下：
12.1)合金化
13.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；
14.2)氧化
15.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；
16.3)混合
17.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。
18.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：ga
65
in
22
sn
13
；
19.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；
20.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；
21.作为进一步优选的实施方案，所述bi为粉末，粒度为50～100nm；
22.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％；
23.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。
24.本发明的有益效果：
25.(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。
26.(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。
27.(3)本发明工艺简单，能直接进行大规模生产。
附图说明
28.图1是实施例1所制备[(ga
65
in
22
sn
13
)
97wt％
bi
3wt％
合金化液态金 属]
97wt％-[ga
65
in
22
sn
13
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；
[0029]
图2是添加实施例2所制备[(ga
65
in
22
sn
13
)
99wt％
bi
1wt％
合金化液 态金属]
99wt％-[ga
65
in
22
sn
13
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；
[0030]
图3是添加实施例3所制备[(ga
65
in
22
sn
13
)
95wt％
bi
5wt％
合金化液 态金属]
96wt％-[ga
65
in
22
sn
13
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；
[0031]
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；
[0032]
图5是对比例2(ga
65
in
22
sn
13
)
97wt％-(ga
65
in
22
sn
13
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；
[0033]
图6是对比例3(ga
65
in
22
sn
13
)
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；
[0034]
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
[0035]
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。
[0036]
实施例1
[0037]
一种镓基液态金属高温润滑剂[(ga
65
in
22
sn
13
)
97wt％
bi
3wt％
合金化 液态金属]
97wt％-[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
3wt％
的制备方法：
[0038]
1)合金化
[0039]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(ga
65
in
22
sn
13
) 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；
[0040]
2)氧化
[0041]
按照ga
65
in
22
sn
13
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；
[0042]
3)混合
[0043]
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。
[0044]
实施例2
[0045]
一种镓基液态金属高温润滑剂[(ga
65
in
22
sn
13
)
99wt％
bi
1wt％
合金化 液态金属]
99wt％-[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
1wt％
的制备方法：
[0046]
1)合金化
[0047]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤8ppm，按照(ga
65
in
22
sn
13
) 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；
[0048]
2)氧化
[0049]
按照ga
65
in
22
sn
13
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；
[0050]
3)混合
[0051]
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。
[0052]
实施例3
[0053]
一种镓基液态金属高温润滑剂[(ga
65
in
22
sn
13
)
95wt％
bi
5wt％
合金化 液态金属]
96wt％-[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
4wt％
的制备方法：
[0054]
1)合金化
[0055]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(ga
65
in
22
sn
13
) 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；
[0056]
2)氧化
[0057]
按照ga
65
in
22
sn
13
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；
[0058]
3)混合
[0059]
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。
[0060]
实施例4
[0061]
一种镓基液态金属高温润滑剂[(ga
65
in
22
sn
13
)
98wt％
bi
2wt％
合金化 液态金属]
98wt％-[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
2wt％
的制备方法：
[0062]
1)合金化
[0063]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照(ga
65
in
22
sn
13
) 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；
[0064]
2)氧化
[0065]
按照ga
65
in
22
sn
13
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；
[0066]
3)混合
[0067]
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。
[0068]
对比例2
[0069]
将不进行bi合金化，直接添加液态金属氧化物的(ga
65
in
22
sn
13
) 97wt％-(ga
65
in
22
sn
13
氧化物)
3wt％
作为对比例2；
[0070]
制备方法：
[0071]
1)ga
65
in
22
sn
13
液态金属制备
[0072]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤10ppm，按照ga
65
in
22
sn
13
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ga
65
in
22
sn
13
液态金属；
[0073]
2)氧化
[0074]
按照ga
65
in
22
sn
13
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；
[0075]
3)混合
[0076]
按照(ga
65
in
22
sn
13
液态金属)
97wt％-(液态金属氧化物)
3wt％
的比 例称取ga
65
in
22
sn
13
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。
[0077]
对比例3
[0078]
将采用传统的粘度增强剂sio2的(ga
65
in
22
sn
13
)
99wt％
bi
1wt％
合金 化液态金属]
99wt％-sio
2 1wt％
作为对比例3；
[0079]
制备方法：
[0080]
1)合金化
[0081]
在氩气氛围的手套箱，其氧气含量≤8ppm，按照(ga
65
in
22
sn
13
) 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；
[0082]
2)混合
[0083]
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。
[0084]
性能测试实验
[0085]
摩擦磨损性能实验
[0086]
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。
[0087]
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。
[0088]
实验结果见附图1～6和表1
[0089]
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
[0090][0091][0092]
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[(ga
65
in
22
sn
13
)
97wt％
bi
3wt％
合金化液态金 属]
97wt％-[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
3wt％
在100～200℃范围内，摩擦系数在 0.21～0.22；而对比例2
(ga
65
in
22
sn
13
)
97wt％-(ga
65
in
22
sn
13
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[(ga
65
in
22
sn
13
)
99wt％
bi
1wt％
合金化液态金属]
99wt％
‑ꢀ
[ga
65
in
22
sn
13
氧化物]
1wt％
在100～200℃范围内，摩擦系数在0.24～0.25， 而对比例3(ga
65
in
22
sn
13
)
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。
[0093]
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。