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混入填料,镓复合材料“捏”出新用途

以适当方式在液态镓中混入填料,可制造出各种功能性复合材料。 图片来自pixabay.com

镓(Gallium)是一种关键元素,因为它是制造半导体和晶体管必需的材料。氮化镓和相关化合物的合成,让人类发现了蓝色发光二极管(BLED)。据估计,半导体和电子工业对镓的需求量高达98%。

除电子学应用,镓独特的物理特性还让它有望在其它领域大展拳脚。镓是一种熔点很低的金属,在略高于室温时,镓是液体。此外,镓能够与其他金属形成几种共晶体系统(熔点比其任何成分都低的合金)。纯镓和镓基液态金属合金均具有很高的表面张力,在大多数表面上是“不可展开的”。因此,这类材料的加工处理难度非常高,导致它们无法充分发挥自身潜力。

eurekalert.org网站近日报道,韩国多维碳材料中心(CMCM)、基础科学研究所(IBS)和国家科学技术研究所(UNIST)的科学家创新性地将填料粒子融入液态镓中,制造了镓系功能复合材料。

根据填料添加量的不同,材料能够从液态转变成糊状或腻子状(类似于商业产品“橡皮泥”)。以氧化石墨烯(G-O)作为填充材料,当G-O含量为1.6~1.8%时,复合材料为糊状;而当G-O含量为3.6%时,复合材料将转变为腻子状。相关研究成果刊登在《科学进展》杂志中。

在液态镓中混入填料会改变材料的物理性质,使处理操作变得更加简单。

论文作者Chunhui Wang指出:“膏状或腻子状的镓系复合材料的处理难度较低。它不仅可以被涂覆到几乎任何表面上,还能被捏成各种形状。这为镓的应用开辟了全新可能性。”

这一发现的潜在应用包括可穿戴设备和医疗植入物等。值得注意的是,这种复合材料还能够被制成具有极高耐热性的多孔泡沫状材料。

论文作者Benjamin Cunning表示,填料能够与液态镓混合的原因在于,液态镓暴露在空气中时,会形成一层具有弹性的氧化物“皮肤”,这层皮肤覆盖在填料粒子上,使其稳定存在。此外,稳定混合物的形成与填料粒子的尺寸也有关系。

研究人员在项目中分析了还原氧化石墨烯(rG-O)、碳化硅、金刚石和石墨等填料对复合材料的影响。其中,加入rG-O的复合材料表现出良好的电磁干扰(EMI)屏蔽效果――在rG-O薄膜上涂上13微米厚的Ga/rG-O复合材料,可将薄膜的屏蔽效率从20 dB提高到75 dB,这完全能够满足商业应用(>30 dB)和军事应用(>60 dB)的需求。此外,这种复合材料还能够为任何常用材料提供电磁干扰屏蔽性能。

研究人员证实,在纸张上涂覆20微米厚的Ga/rG-O涂层,将产生超过70分贝的屏蔽效率。在液态镓中加入金刚石颗粒能够显著提升复合材料的热性能。研究人员发现,含金刚石的复合材料的体导热系数高达110 W? m-1? K-1,超出市售热浆料(79 W?m-1?K-1)近50%。而且,填充颗粒粒径越大,导热系数越高。

CMCM主任Rod Ruoff教授总结道:“我们将各种各样的粒子整合到了液态镓中,对粒子尺寸对混合效果的影响有了基本认识。相关发现可以衍生至铟镓、锡镓和铟锡镓等液态镓合金。我希望这些工作能够为探索新型功能性填料提供借鉴。”

科界原创

编译:德克斯特

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《科学进展》

期刊编号:2375-2548

原文链接:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/ifbs-pco121720.php

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