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Galinstan ist ein Handelsname und eine gebräuchliche Bezeichnung für Flüssigmetalllegierungen und gehört zur Familie der eutektischen Legierungen, die hauptsächlich aus Gallium, Indium und Zinn bestehen. Solche eutektischen Legierungen sind bei Raumtemperatur flüssig und schmelzen normalerweise bei +11 ° C (52 ° F), während handelsübliches Galinstan bei -19 ° C (-2 ° F) schmilzt.Beispiele für typische eutektische Gemische sind 68 Gew .-% Ga, 22 Gew .-% In und 10 Gew .-% Sn, obwohl das Verhältnis zwischen 62 Gew .-% und 95 Gew .-% Ga, 5 bis 22 Gew .-% In, 0 bis 16 Gew .-% Sn liegt. ), Das verbleibende Eutektikum, die genaue Zusammensetzung des Handelsprodukts "Galinstan" wurde nicht bekannt gegeben.Aufgrund der geringen Toxizität und Reaktivität seiner Metalle kann Galinstein viele Anwendungen ersetzen, bei denen zuvor giftiges flüssiges Quecksilber oder aktives NaK (Natrium-Kalium-Legierung) verwendet wurde.Physikalische EigenschaftenSiedepunkt:> 1300 ° CSchmelzpunkt: -19 ° CDampfdruck:
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Die niedrigschmelzende Legierungsreihe enthält üblicherweise Bi, Pb, Sn, Cd, In, Ga, Zn, Sb und andere niedrigschmelzende Legierungen, die auch als "schmelzbare Legierungen" bekannt sind. Es wird allgemein angenommen, dass sie Schmelzpunkte unter 310 ° haben. Entsprechend den Eigenschaften seines Schmelzpunktes kann es in zwei Kategorien eingeteilt werden: eine als eutektische Legierung und die andere als nicht-eutektische Legierung. Der Schmelzpunkt aller niedrigschmelzenden Legierungen ist niedriger als der jedes reinen Metalls der gebildeten Legierung. Der Schmelzpunkt von eutektischen Legierungen ist stabil. Der Schmelzpunkt (Vorlauftemperatur) nicht-eutektischer Legierungen variiert je nach Prüfmethode, Legierungsqualität, Messort, Aufheizrate und anderen Faktoren.Thermische Grenzflächenmaterialien weisen folgende Eigenschaften auf:(1) Hohe Wärmeleitfähigkeit;(2) Hohe Flexibilität, um sicherzustellen, dass das Material den Spalt der Kontaktfläche unter der Bedingung eines geringen Installationsdrucks am vollständigsten ausfüllt und der Kontaktwärmewiderstand zwischen dem Material der thermischen Grenzfläche und der Kontaktfläche gering ist;(3) Isolierung;(4) einfach anzubringen und auseinanderzubauen;(5) Breite Anwendbarkeit, mit der sowohl kleine als auch große Lücken geschlossen werden können.
Eine lustige Sache, die Sie sofort mit der flüssigen Metalllegierung machen können, ist, Ihre eigenen Spiegel herzustellen. Alles, was Sie brauchen, ist ein Stück Glas und ein Wattestäbchen.Ein Wattestäbchen wird in ein Fläschchen getaucht und dann gedreht, um es mit einer flüssigen Metalllegierung zu beschichten.Wischen Sie nun den beschichteten Wattestäbchen über das Glas (auf dem Foto verwenden wir einen Glasmikroskop-Objektträger). Das Metall haftet am Glas und bildet eine opake reflektierende Beschichtung.Weitere interessante DingeFlüssiges Metall kann viele Dinge bewirken:Machen Sie ein ThermometerEin Barometer machenNeigungsmesser-Seismograph herstellenNicht leitende Gegenstände leitend machenPassen Sie die Elektroden an unterschiedliche Oberflächen anMagnetohydrodynamisches ExperimentSchwingen Sie mit HochfrequenzstromVerwenden Sie es, um energiereiche Klänge zu leitenErsetzen Sie Quecksilber in rotierenden TeleskopspiegelnWenn eine glänzende Oberfläche erforderlich ist, kann eine verdünnte Salzsäurelösung auf die Oberfläche aufgetragen oder eine helle Mineralölbeschichtung verwendet werden. Beide verhindern, dass das Metall mit der Zeit langsam oxidiert.Wie macht es das?Gallium ist ein Element (Ordnungszahl 31, direkt unter Aluminium und direkt rechts neben Zink im Periodensystem). Der Schmelzpunkt am Anfang ist bereits sehr niedrig, aber wir können andere Elemente hinzufügen, um einen niedrigeren Schmelzpunkt zu erhalten.Unmittelbar unter dem Gallium im Periodensystem befindet sich Indium (Element 49). Rechts von Indium befindet sich Zinn (Element 50).Wenn diese Elemente kombiniert werden, werden ihre Atome zu einer Verbindung kombiniert. Die Moleküle der Verbindung sind nicht in dem Maße aneinander gebunden, wie die ursprünglichen Metallatome aneinander gebunden sind. Dies verringert den Schmelzpunkt.Es gibt viele Möglichkeiten, die drei Metalle zu kombinieren:Der Schmelzpunkt jeder Kombination ist leicht unterschiedlich. Welcher hat Ihrer Meinung nach den niedrigsten Schmelzpunkt? Dies könnte ein gutes Experiment für einen wissenschaftlichen Wettbewerb sein.Eine Mischung aus 76% Gallium und 24% Indium schmilzt bei 16 Grad Celsius. Sowohl Gallium als auch diese Kombination können unterkühlt werden. Dies bedeutet, dass sie nach dem Schmelzen flüssig bleiben können, auch wenn sie weit unter den Schmelzpunkt abgekühlt sind. Mit der Zeit bildet sich ein kleiner Kristall und der Aushärtungsprozess der gesamten Charge beginnt. Eine kleine Menge kann jedoch über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu kalt gehalten werden.Gallium-Indium-Legierungen sind reflektierender und weniger dicht als Quecksilber. Daher werden sie in rotierenden Flüssigkeitsspiegeln von astronomischen Teleskopen untersucht, um sie durch Quecksilber zu ersetzen.
Flüssige Metalle wie Wismut-, Gallium- und Indiumlegierungen können sowohl einen geringen Grenzflächenwiderstand als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bereitstellen. Einige Galliumlegierungen mit extrem niedrigen Schmelzpunkten werden auch als potentielle Flüssigmetallgrenzflächenmaterialien angesehen. Die Wärmeleistung dieser Grenzfläche ist um eine Größenordnung höher als bei vielen üblicherweise verwendeten Klebstoffen.Als thermisches Grenzflächenmaterial weist die LMA-Legierung aufgrund ihrer hervorragenden Oberflächenbenetzbarkeit und hohen Wärmeleitfähigkeit sowie ihres geringen Kontaktwiderstands eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Nacharbeitbarkeit, einfache Handhabung und mangelnde Aushärtung machen es in großvolumigen Umgebungen attraktiv. Durch einen multidisziplinären Ansatz bei der Bewältigung der Herausforderung können die verschiedenen Ausfallmechanismen, die in der Vergangenheit und Gegenwart von LMA-Produkten aufgetreten sind, gemildert werden.Flüssige Metalle sind sehr flüssig. Die für die Verwendung an der thermischen Grenzfläche vorgeschlagene feste Struktur oder Phase löst das Grundproblem, LMA während der Verwendung intakt zu halten. Diese Strukturen erhöhen die Oberflächenkontaktfläche mit der LMA in der thermischen Grenzfläche. Solange die Gesamtenergie der Fest-Flüssig-Grenzfläche geringer ist als die Grenzflächenenergie der Flüssig-Gas-Grenzfläche und der Fest-Gas-Grenzfläche, die sie ersetzt, minimiert LMA ihre Oberflächenenergie, indem die Oberfläche innerhalb der Grenzfläche benetzt wird. Wenn der LMA derselbe ist wie die benetzbare Oberfläche, die unter der Düse verwendet wird, kann der LMA die Oberfläche neben der thermischen Grenzfläche noch benetzen, insbesondere wenn zusätzliche Kräfte angewendet werden. Schock-, Vibrations- und WAK-Fehlanpassungen zwischen dem LMA und anderen Komponenten können zusätzliche Kräfte erzeugen. Sobald die LMA eine Oberfläche in der Nähe der thermischen Grenzfläche, aber außerhalb der thermischen Grenzfläche benetzt, kann vermutet werden, dass sie nur durch Oberflächenspannung innerhalb der Grenzfläche gehalten wird, wenn äußere Kräfte einwirken. Andere haben Lösungen für dieses Problem vorgeschlagen, die Dichtungen und Füllstoffe oder nicht-eutektische (viskose) Komponenten von LMA umfassen, um dessen Viskosität zu erhöhen. Wir haben festgestellt, dass es durch einfaches Modifizieren der Oberfläche um die thermische Grenzfläche herum, damit die LMA nicht nass wird, ausreichend ist, die LMA während Schock-, Vibrations- und Temperaturzyklen in die Grenzfläche einzubeziehen. Es ist denkbar, dass, wenn während des Montageprozesses übermäßiges LMA einbezogen wird, das übermäßige LMA möglicherweise aufgrund von Stößen oder Vibrationen in die Luft schweben kann. Daher sollte das LMA TIM in einem geschlossenen Hohlraum eingesetzt werden, in dem Kurzschlüsse oder unerwünschte Reaktionen mit anderen Metallen ausgeschlossen sind.
Galinstan ist ein Handelsname und eine gebräuchliche Bezeichnung für Flüssigmetalllegierungen und seine Zusammensetzung gehört zu einer Familie von eutektischen Legierungen, die hauptsächlich aus Gallium, Indium und Zinn bestehen. Diese eutektischen Legierungen sind bei Raumtemperatur flüssig und schmelzen normalerweise bei +11 ° C (52 ° F), während handelsübliches Galinstan bei -19 ° C (-2 ° F) schmilzt.Beispiele für typische eutektische Gemische sind 68 Gew .-% Ga, 22 Gew .-% In und 10 Gew .-% Sn, obwohl das Verhältnis zwischen 62 Gew .-% und 95 Gew .-% Ga, 5 bis 22 Gew .-% In, 0 bis 16 Gew .-% Sn liegt. ) Zwischen den verbleibenden Eutektika wurde die genaue Zusammensetzung des Handelsprodukts "Galinstan" nicht bekannt gegeben.Aufgrund der geringen Toxizität und Reaktivität seiner Metalle kann Galinstein viele Anwendungen ersetzen, bei denen zuvor giftiges flüssiges Quecksilber oder aktives NaK (Natrium-Kalium-Legierung) verwendet wurde.Physikalische Eigenschaften· Siedepunkt:> 1300 ° C· Schmelzpunkt: -19 ° C· Dampfdruck:
Durch die Erhöhung der Ausbeuten und die Verwendung billigerer Bauteile und Leiterplatten können die Herstellungskosten durch Oberflächenmontageprozesse bei niedrigen Temperaturen erheblich gesenkt werden. Es wurde eine niedrigschmelzende Lotlegierung (mit einer nominalen Zusammensetzung von Sn-41.75Pb-8Bi-0.5Ag) entwickelt, die die maximale Reflow-Temperatur während der Oberflächenmontage erheblich senken kann. Diese Lotlegierung ist mit Standard-Pb-Sn-Oberflächenbeschichtungen kompatibel, schmilzt in einem Temperaturbereich von ~ 166-172 ° C und hat gute mechanische Eigenschaften.Nach der Bestimmung der optimalen ternären Zusammensetzung von Sn-42Pb-8Bi wurden die anderen vorteilhaften Wirkungen von quaternären Additiven auf die Schmelzeigenschaften der Legierung untersucht. Die Zugabe von Silber ist der vorteilhafteste Vorteil. Mit einem Ag-Gehalt von etwa 0,5% werden maximale thermische und mechanische Vorteile erzielt. Die Solidustemperatur dieser Legierung beträgt ~ 166 ° C, die Temperatur der Hauptflüssigkeit beträgt ~ 172 ° C und eine sehr kleine Menge (etwa 2-3%) der verbleibenden bleireichen Feststoffe schmilzt erst bei 178 ° C vollständig. Diese Schmelzeigenschaft zeigt, dass es möglich ist, die maximale Reflow-Temperatur bei der Oberflächenmontage mit einer silberdotierten Legierung um 10-15 ° C zu senken. Schwankungen in der Silberzusammensetzung unter 0,2% senken den Schmelzpunkt nicht wirksam, und Silbergehalte über 0,8% beginnen, eine Phase mit einem Schmelzpunkt zu bilden, der den eutektischen Wert von 63Sn-37Pb weit überschreitet.Es werden Experimente an vollständig gefüllten Platten mit höherer lokaler thermischer Masse durchgeführt, um die niedrigste Peak-Reflow-Temperatur für eine bestimmte Anwendung zu bestimmen. Es scheint jedoch klar zu sein, dass oberflächenmontiertes Löten mit Sn-41.75Pb-8Bi-0.5Ag Lötpaste bei einer viel niedrigeren Temperatur durchgeführt werden kann, als derzeit verwendet wird, um einen Großteil der damit verbundenen Feuchtigkeits- und Temperaturempfindlichkeit zu verringern Ertragsprobleme. Oberflächenmontierte Komponenten.
