本发明涉及一种液态金属，特别是一种磁性液态金属及其制备方法。
背景技术：
液态金属一般指在低于常温的温度下，金属或合金仍能保持液体状态。通常使用的液态金属合金为镓-铟合金，或镓-铟-锡合金。其最低熔点能够达到-19℃。液态金属在软机器人、散热、导热、可变天线、3D打印等领域都能发挥重要作用。尽管液态金属材料具有优良的流动性、导电性、导热性等，但缺点在于不易外加驱动力使得液态金属流动。虽然电磁泵在某些场合可以用来驱动液态金属液体，但电磁泵往往需要加很高的电流强度来达到足够的力量驱动液态金属液体。即使能够驱动，液态金属液体也必须在管内流动。这个缺点极大的限制了液态金属材料在可变天线、液态金属软机器等方面的应用。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种保持液态金属自身具有的高热导率、高电导率等理化性质，使液态金属具有较强的磁性，在较低外加磁场的作用下流动或移动的磁性液态金属。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，所述磁性纳米颗粒为磁性金属/金属氧化物双层复合颗粒。
由于采用了上述技术方案，在液态金属中添加磁性纳米颗粒能够使液态金属材料获得磁性，使液态金属材料成为具备导热、导电的条件下，同时具备强磁性的复合材料。磁性液态金属能够在外加磁场的驱动下进行流动，当液态金属经过设计的磁场，能够改变液态金属流动的方向等。将这种具有磁性的液态金属应用到可变天线，通过改变外界磁场，就能够达到改变天线的尺寸、方向等，从而达到调整天线的频率，增益、电磁波波长参数的效果。
本发明的一种磁性液态金属，所述磁性纳米颗粒包括磁性金属内核，所述磁性金属外表面覆有金属氧化物壳层。
由于采用了上述技术方案，在磁性金属外包裹金属氧化物壳层不仅能够防止磁性纳米颗粒被氧化和腐蚀，还能够屏蔽磁性纳米粒子之剑的偶极相互作用，阻止粒子发生团聚，提高磁纳米金属流体的稳定性，同时能够提高磁纳米颗粒在液态金属中的浸润度，增加磁性纳米颗粒在液态金属中的溶解度。
本发明的一种磁性液态金属，所述内核的直径为20~150nm，所述壳层的厚度为8~30nm。
由于采用了上述技术方案，内核与壳层的厚度为最佳范围内。
优选的，当内核直径为50nm，壳层厚度为10nm为最佳值。
本发明的一种磁性液态金属，所述磁性金属为铁、镍、钴、钆或其合金；或者铁、镍、钴、钆中的至少一种和铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、钒、铌、钐、钨、钛、铷、镉、镨、镝、铽或锑金属中至少一种的合金；或者铁、镍、钴、钆中的至少一种和硅或硼中至少一种的合金。
优选的，磁性金属选用镍或镍硅合金为最佳；当选用镍硅合金时，硅的含量为7.4%，镍的含量为92.6%时为最佳。
本发明的一种磁性液态金属，其特征在于：所述金属氧化物为铝、镓、铟、锗、锡、铅、锌、镉、铜、钴中至少一种金属的氧化物。
优选的，金属氧化物选用三氧化二铝为最佳，由于三氧化二铝与液态金属材料之间的浸润性最强。
本发明的一种磁性液态金属，所述磁性纳米颗粒的质量分数为1%~27%。
由于采用了上述技术方案，为了达到较高的饱和磁感应强度，可以增大磁性纳米颗粒在液态金属母液重的质量分数，但是当磁性纳米颗粒质量分数过大时，会大大影响液态金属的理化性质，当磁性纳米颗粒的质量分数大于27%时，会对液态金属的导热性造成较大的影响。
优选的当磁性纳米颗粒的质量分数为4.2%最佳，液态金属的磁感应强度达到120emu/g。
本发明的一种磁性液态金属，所述液态金属是镓基二元合金或镓基多元合金。
本发明的一种磁性液态金属，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡铋合金。
由于采用了上述技术方案，采用镓基液态金属能够与磁性纳米颗粒配合获得优异的电磁特性和流动性，同时能够快速方便的制得一种高热导率、高电导率、高磁感应强度、流动性好、不易会发、不易泄露的磁性液态金属。
本发明的磁性液态金属的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备磁性纳米颗粒；
步骤二，将液态金属除镓外的金属按比例和磁性纳米颗粒混合均匀；
步骤三，将步骤二中混合粉末加热至熔融状态，按比例倒入熔融状态的镓，保持混合物融合状态，搅拌至混合均匀，自然冷却后制得磁性液态金属材料。
本发明的一种磁性液态金属的制备方法，所述磁性纳米颗粒由化学共沉淀法、微乳液法、超声沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、相转移法、自蔓延高温燃烧法、介质分散法、机械球磨法、超临界法、化学镀法或电弧法制备而成。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、使液态金属材料在具备导热、导电的条件下，同时具备强磁性，能够在外加磁场的驱动下进行流动，扩充了液态金属材料在可变天线、液态金属软机器等方面的应用。
2、液态金属与磁性纳米颗粒配合获得优异的电磁特性和流动性，同时能够快速方便的制得一种高热导率、高电导率、高磁感应强度、流动性好、不易会发、不易泄露的磁性液态金属。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟合金，其中镓占液态金属质量分数为39.4%，铟占液态金属质量分数为60.6%，磁性纳米颗粒占总质量的1%，磁性纳米颗粒为Fe/ZnO双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Fe内核，Fe内核外表面覆有ZnO壳层，内核的直径为20nm，壳层的厚度为8nm。
该磁性液态金属的导热率为37W/mK，磁感应强度为63emu/g。
实施例2
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟合金，其中镓占液态金属质量分数为39.4%，铟占液态金属质量分数为60.6%，磁性纳米颗粒占总质量的27%，磁性纳米颗粒为Fe/ZnO双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Fe内核，Fe内核外表面覆有ZnO壳层，内核的直径为20nm，壳层的厚度为8nm。
该磁性液态金属的导热率为36W/mK，磁感应强度为83emu/g。
实施例3
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铅合金，其中镓占液态金属质量分数为47.1%，铟占液态金属质量分数为52.9%，磁性纳米颗粒占总质量的6.7%，磁性纳米颗粒为Ti/CoO双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ti内核，Ti内核外表面覆有CoO壳层，内核的直径为150nm，壳层的厚度为30nm。
该磁性液态金属的导热率为30W/mK，磁感应强度为89emu/g。
实施例4
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡铋合金，其中镓占液态金属质量分数为62%，铟占液态金属质量分数为20%，锡占液态金属质量分数为12%，铋占液态金属质量分数为6%，磁性纳米颗粒占总质量的4.2%，磁性纳米颗粒为Ni/Al2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni内核，Ni内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为50nm，壳层的厚度为10nm。
该磁性液态金属的导热率为73W/mK，磁感应强度为120emu/g。
实施例5
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡铋合金，其中镓占液态金属质量分数为62%，铟占液态金属质量分数为20%，锡占液态金属质量分数为12%，铋占液态金属质量分数为6%，磁性纳米颗粒占总质量的1%，磁性纳米颗粒为Ni/Al2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni内核，Ni内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为50nm，壳层的厚度为10nm。
该磁性液态金属的导热率为73W/mK，磁感应强度为108emu/g。
实施例6
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡铋合金，其中镓占液态金属质量分数为62%，铟占液态金属质量分数为20%，锡占液态金属质量分数为12%，铋占液态金属质量分数为6%，磁性纳米颗粒占总质量的27%，磁性纳米颗粒为Ni/Al2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni内核，Ni内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为50nm，壳层的厚度为10nm。
该磁性液态金属的导热率为64W/mK，磁感应强度为123emu/g。
实施例7
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡合金，其中镓占液态金属质量分数为59%，铟占液态金属质量分数为22%，锡占液态金属质量分数为19%，磁性纳米颗粒占总质量的12.7%，磁性纳米颗粒为Ni-Tb/GeO2双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni-Tb合金内核，铽的含量为3.1%，镍的含量为96.9%，Ni-Tb合金内核外表面覆有GeO2壳层，内核的直径为60nm，壳层的厚度为25nm。
该磁性液态金属的导热率为68W/mK，磁感应强度为89emu/g。
实施例8
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡合金，其中镓占液态金属质量分数为64%，铟占液态金属质量分数为20%，锡占液态金属质量分数为16%，磁性纳米颗粒占总质量的20%，磁性纳米颗粒为Ni-Si/Al2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni-Si内核，硅的含量为7.4%，镍的含量为92.6%，Ni-Si内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为20nm，壳层的厚度为20nm。
该磁性液态金属的导热率为69W/mK，磁感应强度为105emu/g。
实施例9
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铟锡合金，其中镓占液态金属质量分数为64%，铟占液态金属质量分数为20%，锡占液态金属质量分数为16%，磁性纳米颗粒占总质量的10%，磁性纳米颗粒为Ni-Si/Al2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Ni-Si内核，硅的含量为7.4%，镍的含量为92.6%，Ni-Si内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为20nm，壳层的厚度为20nm。
该磁性液态金属的导热率为70W/mK，磁感应强度为102emu/g。
实施例10
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓汞合金，其中镓占液态金属质量分数为57%，汞占液态金属质量分数为43%，磁性纳米颗粒占总质量的21%，磁性纳米颗粒为Gd/Ga2O3双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Gd内核，Gd内核外表面覆有Ga2O3壳层，内核的直径为130nm，壳层的厚度为27nm。
该磁性液态金属的导热率为35W/mK，磁感应强度为60emu/g。
实施例11
一种磁性液态金属，由磁性纳米颗粒分散在液态金属中组成，液态金属为镓铅合金，其中镓占液态金属质量分数为58%，铅占液态金属质量分数为42%，磁性纳米颗粒占总质量的3.7%，磁性纳米颗粒为Gd-Fe/PbO双层复合颗粒，磁性纳米颗粒包括Gd-Fe内核，钆的含量为12.7%，铁的含量为87.3%，Gd-Fe内核外表面覆有PdO壳层，内核的直径为48nm，壳层的厚度为13nm。
该磁性液态金属的导热率为39W/mK，磁感应强度为74emu/g。
实施例12
一种制备磁性液态金属的方法，包括以下步骤：
步骤一，通过电弧法制备Ni/Al2O3双层复合颗粒，该颗粒包括Ni内核，Ni内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为50nm，壳层的厚度为10nm；
步骤二，将占液态金属总质量分数为20%的铟和占液态金属总质量分数为12%的锡混合均匀后，取占磁性液态金属总质量分数为4.2%的Ni/Al2O3双层复合颗粒混合均匀；
步骤三，将步骤二中混合粉末加热至250℃，混合粉末呈熔融状态，取占液态金属中质量分数为62%的镓加热至熔融状态后，倒入熔融态的混合液中，按照搅拌速率为400rpm搅拌2h，自然冷却后制得磁性液态金属材料。
制得的磁性液态金属材料的导热率为73W/mK，磁感应强度为120emu/g。
实施例12
一种制备磁性液态金属的方法，包括以下步骤：
步骤一，通过电弧法制备Gd/Ga2O3双层复合颗粒，该颗粒包括Gd内核，Gd内核外表面覆有Ga2O3壳层，内核的直径为130nm，壳层的厚度为27nm；
步骤二，将占液态金属总质量分数为43%的汞，和占磁性液态金属总质量分数为21%的Gd/Ga2O3双层复合颗粒混合均匀；
步骤三，将步骤二中混合粉末加热至330℃，混合粉末呈熔融状态，取占液态金属中质量分数为57%的镓加热至熔融状态后，倒入熔融态的混合液中，按照搅拌速率为800rpm搅拌1h，自然冷却后制得磁性液态金属材料。
制得的磁性液态金属材料的导热率为35W/mK，磁感应强度为60emu/g。
实施例13
通过电弧法制备双层复合颗粒的方法（以Ni/Al2O3为例），包括以下步骤：
步骤一，将一块Ni-Al（20%Al，质量分数）的合金放置在水冷的铜台上作为阳极，钨作为阴极，在常温条件下对反应室进行抽真空；
步骤二，当真空度达到3×10-3Pa时，通入氦气和氢气，通入的氦气压力为16kP，通入的氢气压力为2kP，调节反应室内两电极之间的距离为12cm；
步骤三，两电极间施加20~25V的电压，50~60A的电流，进行电弧反应5min；
步骤四，停止电弧后，向反应室内缓慢通入氩气和氧气，其中氧气的质量分数为5%，将制得样品放置在水冷器上，钝化24h，得到Ni内核外表面覆有Al2O3壳层，内核的直径为50nm，壳层的厚度为10nm的Ni/Al2O3双层复合颗粒。
通过调整两电极之间的电压，电流强度，以及两电极之间的距离能够获得内核直径不同、壳层厚度不同的双层复合颗粒；使用不同的合金能够制得不同材料的双层复合颗粒。
本发明的磁性纳米颗粒可以由化学共沉淀法、微乳液法、超声沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、相转移法、自蔓延高温燃烧法、介质分散法、机械球磨法、超临界法、化学镀法或电弧法制备而成，并不仅限于本实施例公开的电弧法，通过不同方法制得的相同磁性纳米颗粒，具有相同的性质。
本发明的磁性金属可以为铁、镍、钴、钆或其合金；或者铁、镍、钴、钆中的至少一种和铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、钒、铌、钐、钨、钛、铷、镉、镨、镝、铽或锑金属中至少一种的合金；或者铁、镍、钴、钆中的至少一种和硅或硼中至少一种的合金，并不仅限于本实施例公开的液态金属。
本发明的金属氧化物可以为铝、镓、铟、锗、锡、铅、锌、镉、铜、钴中至少一种金属的氧化物，并不仅限于本实施例公开的金属氧化物。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。