[发明专利]一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用

说明书

本发明一种轻量化液态金属复合材料，包括液态金属、中空玻璃微球及封装材料，将中空玻璃微球与液态金属按特定比例混合，通过模具或手动捏造塑造成所需形状，在表面喷加封装材料即得，本发明轻量化液态金属复合材料密度低、刚度可控、可塑性强，可用于制备可调控刚度的器件以及可调控漂浮行为的器件，例如水面电路开关和水上机器人的漂浮部件，应用于水面电路及水中设备制造等多种领域。

技术领域

本发明属于轻量化材料技术领域，特别涉及一种轻量化液态金属复合材料及其制备和应用。

背景技术

柔性机器人及水中机器人一直是人们关注的研究热点。如何设计实现小体积、低重量及多功能的柔性机器人是亟待解决的问题之一。液态金属因其高导电性、导热性及良好的流动性成为了材料领域的热点材料，被视为一种可能的解决方案。

但液态金属的密度高，所制造出的器件质量较重，限制了其在柔性机器人、可穿戴设备及水中设备中的应用。且其高表面张力和高流动性对其塑形产生了不利影响。

现有的轻量化材料多为高聚物材料，多不具备导电性，且塑形性及力学性质等均较差，难以满足机器人等领域对材料的需求。

发明内容

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轻量化液态金属复合材料及其制备和应用，主要是通过将中空玻璃微球与液态金属按特定比例混合，从而降低其密度；利用该方法能够制造出低密度、刚度可控、可塑性强的轻量化液态金属材料，可应用于水面电路及水中设备制造等多种领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种轻量化液态金属复合材料，包括液态金属、中空玻璃微球及封装材料。

所述液态金属一般是指共晶镓铟合金，由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成；或为汞、铋、汞合金、铋合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金；其它组分的低熔点金属，如汞、铋、汞合金、铋合金，如镓铟锡合金、铋铟锡合金，也可使用。

所述中空玻璃微球是空心的玻璃球体，其材料一般为碱金属硼硅酸盐玻璃，直径为10-1000微米，真实密度一般为0.125-0.8g/cm³。

所述封装材料根据塑造出的器件形状进行选择，如果器件为平面结构，则选取防水清漆为封装材料；如果器件为立体结构，则选取薄膜材料作为封装材料。

所述液态金属、中空玻璃微球的用量体积比一般在1:30至1:10之间。封装材料则视成型后的器件的表面积而定，一般厚度为0.01mm-0.05mm。

本发明还提供了所述轻量化液态金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将中空玻璃微球置于容器中，称量液态金属加入该容器中；

2)将盛有液态金属和中空玻璃微球的容器置于通风橱中，充分搅拌至均匀混合，得到混合物；

3)取出混合物，通过模具或手动捏造塑造成所需形状，在表面喷加封装材料。

本发明轻量化液态金属复合材料可用于制备可调控刚度的器件，其刚度调控包括以下步骤：

1)将所述轻量化液态金属复合材料制备的器件置于所要应用的环境中

2)对所述器件进行冷却，刚度增加至金属级别；

3)对所述器件进行加热，刚度恢复至软材料级别。

所述冷却方式为直接在器件表面加液氮或置于冷却台上，冷却温度低于10℃；所述加热方式为直接在器件表面加热水或置于加热台上，加热至25℃及以上。

本发明轻量化液态金属复合材料还可用于制备可调控漂浮行为的器件，其漂浮行为调控包括以下步骤：