Tính Tension Giao Diện của Ga, E-GaIn, Galinstan, và Hợp Kim Cao Năng Lượng GaInSnBiZn

Shirong Zhu1, Qiaoli Lin1,2, Rui Cao1, Kaibin Xie1,2, Jinxin Lai1
1State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metal, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, People’s Republic of China
2Jiangsu Hida Electric Co., LTD, Jiangyan, People’s Republic of China

Tóm tắt

Trong quá trình đo độ căng bề mặt của Ga và các kim loại lỏng dựa trên Ga bằng phương pháp giọt lơ lửng, chúng tôi phát hiện rằng ít nhất hai yếu tố sẽ dẫn đến kết quả đo không chính xác. Một phần, nguyên nhân là do sự phủ của lớp phim oxit trên bề mặt giọt lơ lửng, thể hiện độ nhớt đàn hồi. Một phần khác, thể tích của giọt lơ lửng không vượt quá giá trị tới hạn để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Khi thể tích của giọt lơ lửng vượt quá giá trị tới hạn (thể tích khi số Worthington > 0.4), có thể thu được giá trị chính xác hơn bằng cách sử dụng ép cơ học trong khi nhanh chóng hình thành các giọt lơ lửng. Độ căng bề mặt của Ga, E-GaIn, Galinstan và các hợp kim GaInSnBiZn lần lượt là ~ 717.2, ~ 622.8, ~ 548.8 và ~ 545.7 mN/m, và các kết quả đo được không nhạy cảm với môi trường xung quanh. Trong nghiên cứu này, thành phần phân tán của độ căng bề mặt hợp kim cao năng lượng GaInSnBiZn là ~ 327.81 mN/m, chiếm khoảng 39.19%, điều này cho thấy tỷ lệ thành phần phân tán trong độ căng bề mặt của các hợp kim đa thành phần gần giống như của nguyên tố (Hg). Công trình này sẽ cung cấp bằng chứng lý thuyết cho sự phát triển và ứng dụng tiếp theo của hợp kim cao năng lượng có nhiệt độ nóng chảy thấp.

Từ khóa

#độ căng bề mặt #hợp kim cao năng lượng #Ga #E-GaIn #Galinstan #GaInSnBiZn

Tài liệu tham khảo

M.D. Dickey, Emerging Applications of Liquid Metals Featuring Surface Oxides, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6(21), p 18369–18379. C.B. Cooper, K. Arutselvan, Y. Liu, D. Armstrong, Y. Lin, M.R. Khan, and M.D. Dickey, Stretchable Capacitive Sensors of Torsion, Strain, and Touch Using Double Helix Liquid Metal Fibers, Adv. Funct. Mater., 2017, 27(20), p 1605630. B.J. Blaiszik, S.L. Kramer, M.E. Grady, D.A. McIlroy, J.S. Moore, N.R. Sottos, and S.R. White, Autonomic Restoration of Electrical Conductivity, Adv. Mater., 2012, 24(3), p 398–401. Y. Lu, Q. Hu, Y. Lin, D.B. Pacardo, C. Wang, W. Sun, F.S. Ligler, M.D. Dickey, and Z. Gu, Transformable Liquid-Metal Nanomedicine, Nat. Commun., 2015, 6, p 10066. Y. Yu, F. Liu, and J. Liu, Direct 3D Printing of Low Melting Point Alloy Via Adhesion Mechanism, Rapid Prototyp. J., 2017, 23(3), p 642–650. L. Wang, M. Wang, J. Lu, R.E.A. Ardhi, J. Liu, G. Liu, and J.K. Lee, Enhanced Adhesion Between Liquid Metal Ink and the Wetted Printer Paper for Direct Writing Electronic Circuits, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2019, 95, p 202–207. L. Wang and J. Liu, Printing Low-Melting-Point Alloy Ink to Directly Make a Solidified Circuit or Functional Device with a Heating Pen, Proc. Math. Phys. Eng. Sci., 2014, 470(2172), p 20140609. A. Zavabeti, J.Z. Ou, B.J. Carey, N. Syed, R. Orrell-Trigg, E.L.H. Mayes, C. Xu, O. Kavehei, A.P. O’Mullane, and R.B. Kaner, A Liquid Metal Reaction Environment for the Room-Temperature Synthesis of Atomically Thin Metal Oxides, Science, 2017, 358(6361), p 332–335. Y.L. Chou, J.W. Yeh, and H.C. Shih, The Effect of Molybdenum on the Corrosion Behaviour of the High-Entropy Alloys Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mox in Aqueous Environments, Corros. Sci., 2010, 52(8), p 2571–2581. Y.E.H. Jien-Wei, Recent Progress in High Entropy Alloys, Ann. Chim. Sci. Mater., 2006, 31(6), p 633–648. S. Wang, J. Feng, S. Wang, K. Wang, M. Yu, and Y. Tian, Interfacial Reaction Between Novel High Entropy Alloy SnPbInBiSb and Cu Substrate, Mater. Lett., 2022, 325, p 132901. Y. Liu, L. Pu, Y. Yang, Q. He, Z. Zhou, C. Tan, X. Zhao, Q. Zhang, and K.N. Tu, A High-Entropy Alloy as Very Low Melting Point Solder for Advanced Electronic Packaging, Mater. Today Adv., 2020, 7, p 100101. X. Wang, R. Guo, and J. Liu, Liquid Metal Based Soft Robotics: Materials, Designs, and Applications, Adv. Mater. Technol., 2019, 4(2), p 1800549. X. Zhao, S. Xu, and J. Liu, Surface Tension of Liquid Metal: Role Mechanism and Application, Front. Energy, 2017, 11, p 535–567. I. Egry, E. Ricci, R. Novakovic, and S. Ozawa, Surface Tension of Liquid Metals and Alloys—Recent Developments, Adv. Colloid Interface Sci., 2010, 159(2), p 198–212. M.A. Duchesne and R.W. Hughes, Slag Density and Surface Tension Measurements by the Constrained Sessile Drop Method, Fuel, 2017, 188, p 173–181. S.M.I. Saad, Z. Policova, and A.W. Neumann, Design and Accuracy of Pendant Drop Methods for Surface Tension Measurement, Colloid Surf. A, 2011, 384(1–3), p 442–452. M. Fukuta, J. Sumiyama, M. Motozawa, and T. Yanagisawa, Surface Tension Measurement of Oil/Refrigerant Mixture by Maximum Bubble Pressure Method, Int. J. Refrig., 2017, 73, p 125–133. N. Wu, J. Dai, and F.J. Micale, Dynamic Surface Tension Measurement with a Dynamic Wilhelmy Plate Technique, J. Colloid Interface Sci., 1999, 215(2), p 258–269. H. Fujii, T. Matsumoto, S. Izutani, S. Kiguchi, and K. Nogi, Surface Tension of Molten Silicon Measured by Microgravity Oscillating Drop Method and Improved Sessile Drop Method, Acta Mater., 2006, 54(5), p 1221–1225. N. Sobczak, R. Nowak, W. Radziwill, J. Budzioch, and A. Glenz, Experimental Complex for Investigations of High Temperature Capillarity Phenomena, Mater. Sci. Eng. A, 2008, 495(1), p 43–49. S. Hardy, The Surface Tension of Liquid Gallium, J. Cryst. Growth, 1985, 71(3), p 602–606. U. König and W. Keck, Measurement of the Surface Tension of Gallium and Indium in a Hydrogen Atmosphere by the Sessile Drop Method, J. Less Common Metals, 1983, 90(2), p 299–303. A. Dobosz and T. Gancarz, Density, Viscosity and Surface Tension of Gallium Rich Al-Ga Alloys, Fluid Phase Equilib., 2021, 532, p 112923. F.M. Fowkes, Additivity of Intermolecular Forces at Interfaces I. Determination of the Contribution to Surface and Interfacial Tensiions of Dispersion Forces in Various Liquid, J. Phys. Chem., 1963, 67(12), p 2538–2541. S. Liu, K. Sweatman, S. McDonald, and K. Nogita, Ga-Based Alloys in Microelectronic Interconnects: A Review, Materials, 2018, 11, p 1384. S. Zhu, L. Liu, and Q. Lin, Surface Tension of GaInSnBiZn Liquid High-entropy Alloy, J. Metall. Mater. Res., 2021, 4(2), p 1–6. W.F. Gale and T.C. Totemeier, Smithells Metals Reference Book, Elsevier, Oxford, 2003. Q. Xu, N. Oudalov, Q. Guo, H.M. Jaeger, and E. Brown, Effect of Oxidation on the Mechanical Properties of Liquid Gallium and Eutectic Gallium-Indium, Phys Fluids, 2012, 24(6), p 063101. S. Handschuh-Wang, T. Gan, T. Wang, F.J. Stadler, and X. Zhou, Surface Tension of the Oxide Skin of Gallium-Based Liquid Metals, Langmuir, 2021, 37(30), p 9017–9025. K. Yoshida, H. Kumagai, T. Yamane, A. Hayashi, C. Koyama, H. Oda, T. Ito, and T. Ishikawa, Thermophysical Properties of Molten Ga2O3 by Using the Electrostatic Levitation Furnace in the International Space Station, Appl. Phys. Express, 2022, 15(8), p 085503. J. Liu, H. Ma, Y. Yang, W. Yang, Z. Jiao, Y. Yu, and X. Gui, Study on Direct Writing of Gallium Metal for the Flexible Sensor, Adv. Mater. Sci. Eng., 2021, 2021, p 1–10. I. Barin, Thermochemical data of pure substances, Wiley, Weinheim, 1995. Y. Ding, M. Zeng, and L. Fu, Surface Chemistry of Gallium-Based Liquid Metals, Matter, 2020, 3(5), p 1477–1506. Q. Xu, N. Oudalov, Q. Guo, H.M. Jaeger, and E. Brown, Effect of Oxidation on the Mechanical Properties of Liquid Gallium and Eutectic Gallium-Indium, Phys. Fluids, 2012, 24(6), p 063101. S. Handschuh-Wang, Y. Chen, L. Zhu, and X. Zhou, Analysis and Transformations of Room-Temperature Liquid Metal Interfaces—a Closer Look Through Interfacial Tension, Chem. Phys. Chem., 2018, 19(13), p 1584–1592. Y. Plevachuk, V. Sklyarchuk, S. Eckert, G. Gerbeth, and R. Novakovic, Thermophysical Properties of the Liquid Ga-In-Sn Eutectic Alloy, J. Chem. Eng. Data, 2014, 59(3), p 757–763. F.M. Fowkes, Attractive Forces at Interfaces, Ind. Eng. Chem., 1964, 56(12), p 40–52. R.J. Good and L.A. Girifalco, A Theory for Estimation of Surface and Interficial Energies. Iii. Estimation of Surface Energies of Solids from Contact Angle Data, J. Phys. Chem., 1960, 64(5), p 561–565. M. Matsumoto, A.G. Gaonkar, and T. Takenaka, The Estimation of Hamaker Constants of Alcohols and Interfacial Tensions at Alcohol-Mercury Interfaces, Bull. Inst. Chem. Res. Kyoto Univ., 1981, 58(5–6), p 523–533. J. Drzymala, Hydrophobicityand Collectorless Flotation of Inorganic Materials, Adv. Colloid Interface Sci., 1994, 50, p 143–185. G. Ryu, K. Park, and H. Kim, Interfacial Properties of Liquid Metal Immersed in Various Liquids, J. Colloid Interface Sci., 2022, 621, p 285–294.