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镓基液态金属柔性应变传感器的设计优化与实验验证

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仪器仪表学报 2023年第1期44卷 16-26页

作者：孙英汪忠晟韩智昊刘卫朋河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300401 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300401

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响,本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比,综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律,建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据... 详细信息

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响,本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比,综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律,建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据建立的数学模型,优化设计并制备了5种应变传感器样品,在40%应变范围内进行实验。结果表明本文建立的数学模型可以良好地预测不同微通道结构传感器的输出,并为设计优化高灵敏度传感器提供了方向。实验测试结果表明设计的应变传感器在40%应变时的灵敏度为2.01、滞后度为5.1%,且重复性和输出稳定性较高。将设计的传感器用于手指、手肘的关节运动检测,探索了镓基液态金属柔性应变传感器在关节运动检测方面的应用。本文为镓基液态金属柔性应变传感器在可穿戴领域中的应用提供了理论支持。

关键词：柔性应变传感器镓基液态金属数学模型可穿戴

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镓基液态金属用作润滑剂外界影响因素的研究

功能材料 2022年第2期53卷 2043-2049页

作者：尹富强赵玉辰李赵春李天杰南京林业大学机械电子工程学院南京210037

液态金属是一种新型功能材料,具有不定型、可流动性,在室温下可呈液态。镓基液态金属(GLM)是其中一种安全无毒的液态金属,具有良好的流动性、导热性、热稳定性、导电性等,因其优异性能已被应用于多种领域。目前,国内研究镓基液态金属作... 详细信息

液态金属是一种新型功能材料,具有不定型、可流动性,在室温下可呈液态。镓基液态金属(GLM)是其中一种安全无毒的液态金属,具有良好的流动性、导热性、热稳定性、导电性等,因其优异性能已被应用于多种领域。目前,国内研究镓基液态金属作为润滑剂的研究还处于起步状态。介绍了影响镓基液态金属润滑性能的外界因素,并提出了镓基液态金属作为润滑剂的几个需要解决的问题。

关键词：镓基液态金属润滑摩擦外界因素

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镓基液态金属基柔性传感材料的制备研究进展

功能材料 2024年第7期55卷 7070-7078页

作者：张亚娟王蕊宁孙润军邓晶贾笑娅西安工程大学纺织科学与工程学院陕西710000

随着人工智能可穿戴技术的快速发展,带动了具备可拉伸、可压缩和可扭曲特性的柔性传感材料的蓬勃兴起。镓基液态金属(LM),由于其卓越的导电性、导热性、流动性、高表面张力和可塑性等特点,已被广泛应用于制备柔性传感材料。然而,有关镓... 详细信息

随着人工智能可穿戴技术的快速发展,带动了具备可拉伸、可压缩和可扭曲特性的柔性传感材料的蓬勃兴起。镓基液态金属(LM),由于其卓越的导电性、导热性、流动性、高表面张力和可塑性等特点,已被广泛应用于制备柔性传感材料。然而,有关镓基液态金属用于制备柔性传感材料的方法,特别是与柔性基体材料复合,迄今缺乏全面的综述。着重介绍了镓基液态金属用于柔性传感材料的制备方法,包括直接结合法、液滴法和液态金属作为引发剂法。其次,对镓基液态金属柔性传感材料应用的最新进展进行探讨。讨论了镓基液态金属柔性传感材料在可回收利用方面取得的进展。最后,就目前研究中仍存在的问题提出建议,并对未来进行展望。

关键词：柔性传感材料镓基液态金属液滴法引发剂可回收

AlN掺杂的镓基液态金属硅脂在电子器件散热上的应用（英文）

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稀有金属材料与工程 2018年第9期47卷 2668-2674页

作者：刘韩刘辉强林左叶楚盛中山大学广东广州510275

为了增强界面传热效果,将镓基液态金属(Ga_(68.5)In_(21.5)Sn_(10))及氮化铝作为导热填料填充到甲基硅油中制备了一种新型复合的热界面材料,并利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)检测材料的微观结构和化学成分以研究其导热原理。合成... 详细信息

为了增强界面传热效果,将镓基液态金属(Ga_(68.5)In_(21.5)Sn_(10))及氮化铝作为导热填料填充到甲基硅油中制备了一种新型复合的热界面材料,并利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)检测材料的微观结构和化学成分以研究其导热原理。合成的AlN掺杂的镓基液态金属硅脂导热率可达5.014 W/m·K,分别高于液态金属/甲基硅油二元复合材料和现售高端的导热硅脂产品(x-23-7762)约5%和20%。同时,接触热阻减少了约20%和50%,粘度保持在适当的范围内降低了使用过程中的溢出风险。CPU的实测结果表明新合成的AlN掺杂的镓基液态金属硅脂可以显著降低笔记本核心的工作温度,分析其导热机理后提出传热过程的协同效应原理。实验结果表明该产品是一种理想的导热界面材料且具有广泛的应用前景。

关键词：镓基液态金属氮化铝导热硅脂导热性能

基于镓基液态金属的高带宽柔性NFC标签天线设计及特性测试

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仪器仪表学报 2021年第7期42卷 216-225页

作者：孙英刘乃源翁玲周严河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130 天津商业大学理学院天津300134

利用镓基液态金属作为柔性导电材料,制备基于NFC的可穿戴柔性标签天线。通过理论、仿真和实验分析,设计的NFC标签天线具有良好的柔性特点和较高的带宽,其在较大拉伸和弯曲变形下的电感变化和谐振偏移程度不大,具有较好的工作稳定性。与... 详细信息

利用镓基液态金属作为柔性导电材料,制备基于NFC的可穿戴柔性标签天线。通过理论、仿真和实验分析,设计的NFC标签天线具有良好的柔性特点和较高的带宽,其在较大拉伸和弯曲变形下的电感变化和谐振偏移程度不大,具有较好的工作稳定性。与传统的NFC天线不同,设计的天线具有较好的柔性和可拉伸性,可以柔和地贴合在人体皮肤表面,利用该天线制备的NFC标签能够在13.56 MHz工作频率下进行无线通信,最大通信距离约为3.36 cm,与人体手腕处皮肤接触后的最大通信距离约为3.12 cm。制备的柔性NFC标签天线以其独特的优点,在信息交换、个人健康数据监测和可穿戴生物传感等领域有着较大的潜在应用。

关键词： NFC标签天线镓基液态金属高带宽柔性

镓基液态金属柔性叉指阵列电容传感器设计及实验测试

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仪表技术与传感器 2023年第10期 1-6页

作者：孙英韩智昊汪忠晟翁玲省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300132 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学) 天津300132

为解决传统叉指电容传感器采用铜和印制电路板打印制备无柔性、难以贴合不平整被测物表面等问题,提出了基于镓基液态金属的柔性叉指阵列电容传感器设计方案。考虑电极层和基板的影响及叉指阵列结构的影响构建传感器数学模型,确定传感器... 详细信息

为解决传统叉指电容传感器采用铜和印制电路板打印制备无柔性、难以贴合不平整被测物表面等问题,提出了基于镓基液态金属的柔性叉指阵列电容传感器设计方案。考虑电极层和基板的影响及叉指阵列结构的影响构建传感器数学模型,确定传感器的各项参数。利用镓基液态金属制备柔性叉指阵列传感器,对其进行实验标定和输出特性测试,并将其应用于材料材质识别研究。测试与仿真结果表明,该柔性叉指阵列电容传感器具有良好的柔性、灵敏度和输出特性,具有应用于材料材质识别的应用潜力。

关键词：镓基液态金属柔性叉指阵列电容传感器传感器设计材料材质识别

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镓基液态金属的润滑性能研究

镓基液态金属的润滑性能研究

作者：刘晨兰州理工大学

学位级别：硕士

镓基液态金属(GLM)因其优良的特性引起了众多研究人员的广泛关注,这种材料具有低毒、高导热率、高电导率、高分解温度和良好的流动性等特性,是一种新型、环保且性能优异的润滑剂,在高温、载流等特殊工况的摩擦学领域具有重要的应用前景... 详细信息

镓基液态金属(GLM)因其优良的特性引起了众多研究人员的广泛关注,这种材料具有低毒、高导热率、高电导率、高分解温度和良好的流动性等特性,是一种新型、环保且性能优异的润滑剂,在高温、载流等特殊工况的摩擦学领域具有重要的应用前景。目前,国内外关于GLM润滑性能只做了初步的探索研究,大多集中在其对机械系统电能、热能的损耗方面的影响。本论文基于其高导热率和高分解温度的特点,通过加热法制备Ga65In25Sn10合金,系统的研究了不同环境下温度对GLM润滑性能和腐蚀行为的影响,揭示了相关的润滑和腐蚀机理。通过机械球磨的方式将银元素掺杂到GLM中,改变了其元素组成,探索微量元素对GLM润滑性能的影响,为改善镓基液态金属在高温下的润滑性能提供了参考依据。获得的主要结论如下:(1)真空环境中,温度对GLM的润滑性能具有重要影响。室温至800℃,Si3N4/T91钢摩擦副的平均摩擦系数介于0.15～0.39之间;室温至600℃内,T91钢盘磨损率在10-7～10-5 mm3/Nm之间,800℃时,磨损率在10-4 mm3/Nm量级,随着温度升高其润滑性能增强。GLM在宽温域范围内的润滑机理为:室温至200℃,磨损表面的镓膜为摩擦副提供边界润滑,400℃时,摩擦膜表面生成了 FeGa3晶体,其较高的硬度提高了富镓膜的承载力;600℃时,磨损表面生成大量的FeGa3晶体,富镓膜和FeGa3的协同润滑效应使GLM获得优异的润滑性能;800℃时,磨损表面的FeGa3晶体熔化形成光滑的摩擦膜,使得摩擦副具有最低的摩擦系数(0.15)。腐蚀的机制为:600℃时GLM中的镓原子与T91钢反应生成FeGa3晶体,而800℃时,高温导致镓原子的渗透速率提高,FeGa3膜不断脱落,表面出现大量空洞,GLM对T91钢内部造成严重的腐蚀。(2)通过机械研磨法制备了掺杂Ag的GLM,银元素的掺杂改变了摩擦界面成分和结构,进而影响了 GLM的润滑行为。室温和200℃下,Ag的添加抑制了镓元素的氧化,并生成了含Ag润滑膜,提高了润滑性,磨损率相较无掺杂时减小了一个数量级。400℃时,磨损表面形成的Ag20摩擦膜提高GLM的润滑性。T91钢的磨损率降低约50%。600℃时,磨损表面的摩擦膜相较无掺杂时更加致密,并且生成多种金属间化合物的复合膜,这些复合膜的协同作用降低了摩擦系数,磨损率降低约52%。(3)大气环境中,GLM的润滑性能随着温度升高不断提高。200℃～800℃范围内,T91钢盘的平均摩擦系数介于0.18-0.39之间;磨损率在10-6～10-5 mm3/Nm之间。磨损表面富镓膜的氧化程度对磨损率具有重要影响,氧化程度越小,磨损率越低。随着温度的升高,摩擦界面的氧化反应不断加剧,400℃时磨损表面的富镓膜被严重氧化,相较200℃时磨损率增大一个数量级。600℃时,磨损表面的FeGa3晶体能够有效的承受载荷,使磨损率降低。800℃时,FeGa3晶体熔化,磨损表面生成较多的Ga2O3使磨损率达到最大。

关键词：镓基液态金属高温摩擦润滑性腐蚀行为摩擦学性能

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镓基液态金属的热物性及可靠性研究

镓基液态金属的热物性及可靠性研究

作者：邓今朝重庆大学

学位级别：硕士

随着芯片设计及制造技术的飞速发展,大功率高性能的CPU不断更新迭代,在追求高性能的同时,也给芯片的散热设计带来了巨大的挑战。在现阶段,热界面的存在是芯片散热设计中不可回避的问题,也是高效散热的瓶颈之一。为解决电子设备散热问题... 详细信息

随着芯片设计及制造技术的飞速发展,大功率高性能的CPU不断更新迭代,在追求高性能的同时,也给芯片的散热设计带来了巨大的挑战。在现阶段,热界面的存在是芯片散热设计中不可回避的问题,也是高效散热的瓶颈之一。为解决电子设备散热问题,开发高导热性能的热界面材料成为了热管理领域的研究热点。因此,具有高热导率的新兴导热材料液态金属(Liquid Metal,LM)应运而生,同时探明其热物理性质及应用可靠性意义重大,可以为未来液态金属在高性能芯片散热领域的应用推广及技术攻关提供科学依据和理论支撑。本文制备了四种镓基液态金属,通过热导率测试筛选出导热系数最高的GaIn Sn Ag作为本课题的研究对象,探究了该合金的主要热物理性质;通过对制作的Cu-LM-Ni三明治结构进行不同条件下时效处理,并结合材料微观组织表征研究了其与Cu、Ni的材料相容性;然后对设计的密封散热结构进行了恒温恒湿、高温老化和热冲击等可靠性实验,通过密封材料可靠性、密封可靠性、腐蚀性及热阻测试等实验分析了散热方案的可行性;最后通过拷机测试对比研究了制备的液态金属与一种商业导热硅脂的导热性能。本文的主要结论如下:(1)通过DSC分析发现,元素的微调控对所制备液态金属的熔点影响很小,但合金的过冷度会随着镓元素含量增加而增大,从而导致凝固点降低;通过热导率分析发现,微量Ag元素的添加可以有效提升液态金属的导热性能;在-40～125℃温度范围内的CTE分析中揭示出其热膨胀特征具有阶段性;根据粘度测试可知其为非牛顿流体,探明粘度随着剪切速率的增大而增大,从而得出实际应用时需慢速涂抹以减小粘度;根据润湿实验结果可知,液态金属在Si、Si O、Cu和Ni四种固体材料表面上均不润湿,减小基板表面粗糙度和升高温度可以改善液态金属的润湿性,但仍然不能从根本上实现润湿,因此提出了在基板上预制一层LM氧化膜实现润湿的方法,为液态金属在实际应用中难润湿给出了可行的解决方案。(2)通过研究材料相容性发现,在60℃下Cu/LM界面反应生成较脆的Cu GaIMC层,且该层随着温度的升高不断形成并继续增长,在120℃下出现了少量InAg相,150℃时Cu Ga相会融于熔融合金中形成Ga、In、Sn和Cu元素的富集相;但Ni/LM界面即使在本实验最高温度150℃下保温150 h也不会发生明显的反应。因此在使用镓基液态金属作为散热材料时,不能直接与纯铜材料接触,可以镀镍进行保护。(3)通过缝隙填充能力测试及未密封高温高湿实验结果和分析发现,液态金属在湿度大、轻微振动、较大温度差等特殊工况环境中可能出现开裂、垂直流出、严重氧化等现象,从而提出并设计了液态金属作为热界面材料进行芯片冷却的散热方案;同时优选的密封材料和散热结构可以耐高温高湿、高温老化和热冲击可靠性测试,散热结构有效保护了液态金属并不与其发生反应,进一步验证了散热方案的可行性。(4)通过热阻测试、拷机测试结果和分析发现,可靠性测试后的液态金属制备的试样整体热阻并没有出现明显的上升,再一次验证了密封方案的可行性;拷机测试时,液态金属凭借其更高的热导率和更低的界面热阻表现出了优异的导热性能,比使用商用导热硅脂时CPU空、满载温度差低8℃,下降25%。

关键词：镓基液态金属热物性润湿性热可靠性应用导热性能

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镓基液态金属润滑状态及其性能调控研究

镓基液态金属润滑状态及其性能调控研究

作者：刘强烟台大学

学位级别：硕士

镓基液态金属是一类常温下为液体的新型合金材料。镓基液态金属具有极低的饱和蒸气压,较高的服役温度,良好的导电、导热性,良好的极压性能和润滑性能,有望作为一种新型润滑剂及润滑添加剂,在高温、空间等极端工况润滑领域具有重要的应... 详细信息

镓基液态金属是一类常温下为液体的新型合金材料。镓基液态金属具有极低的饱和蒸气压,较高的服役温度,良好的导电、导热性,良好的极压性能和润滑性能,有望作为一种新型润滑剂及润滑添加剂,在高温、空间等极端工况润滑领域具有重要的应用前景。然而,目前对镓基液态金属所能提供的润滑状态及其转变规律缺乏系统认识,以及成分调控对镓基液态金属润滑性能的影响规律尚不明晰。因此本论通过液态纯镓润滑条件下AISI 440C钢自配副的Stribeck曲线和一系列定速摩擦试验,利用SEM、EDS、XPS、XRD等表征手段,系统研究了镓能提供的润滑状态及其转变规律。在此基础上,研究了Zn、Mg、Bi、Cu、Ti和Sc元素的掺杂对其混合润滑性能的影响。结果表明:（1）选用纯镓润滑点接触工况下AISI 440C钢自配副,在法向载荷2～20 N和滑动速度10～1.4 m/s范围内,液态镓只能提供边界或混合润滑,不能形成流体动压润滑;在5 N下的工况下,液态镓所能提供的边界润滑和混合润滑条件下,摩擦副的摩擦系数在0.1～0.3之间,板的磨损率处于10mm/N·m数量级。（2）润滑初期在接触应力的反复作用下,镓元素被挤压到摩擦界面上与磨屑混合,在正常润滑期间形成了均匀分布（边界润滑）或岛状分布（混合润滑）的富镓膜。在润滑后期,混合润滑的失效主要与富镓膜的再生有关,而富镓膜的再生是由摩擦界面的平均接触应力决定的。（3）掺杂1 wt.%Zn、Bi、Cu、Ti、Sc、Mg元素的镓基液态金属后结果显示:Zn、Bi元素能够完全溶解在镓基液态金属中;Mg元素除部分溶解以外,还生成大量微米级MgGa颗粒;Cu、Ti或Sc元素会生成少量微米尺度的金属间化合物,分别为Cu Ga、Ti Ga或Sc Ga。掺杂1 wt.%的Zn或Cu元素可以改善其润滑性能,而掺杂1 wt.%的Ti、Sc、Mg或Bi元素均会降低镓基液态金属的润滑性能。Zn元素的最佳掺杂量为3 wt.%,摩擦系数较Galinstan润滑时降低12%,磨损率降低50%。掺杂3 wt.%Cu元素使得磨损率较Galinstan润滑时降低49%。（4）摩擦界面处富镓膜的变化对镓基液态金属润滑性能影响的结果表明,掺杂Zn元素促进了镓在摩擦界面上的吸附,从而改善了镓基液态金属的润滑性能;掺杂Bi元素抑制了镓的吸附,降低了镓基液态金属的润滑性能。（5）镓基液态金属中生成的微米颗粒对其润滑性能影响的结果表明,掺杂Cu元素的镓基液态金属润滑性能的提高归功于少量微米尺度Cu Ga颗粒的生成。Ti或Sc的掺杂使得镓基液态金属中生成高硬度的Ti Ga或Sc Ga颗粒,造成三体磨粒磨损。Mg掺杂生成大量的MgGa颗粒,严重破坏镓基液态金属的稳定润滑。

关键词：镓基液态金属 Stribeck曲线润滑机制混合润滑金属元素掺杂