一、前言与简介

  镓铟（锡）合金作为一种新的无毒无污染液体金属，因其无毒，无污染，熔点低等特点，作为汞的替代品广泛应用于散热器，温度计中。但是，由于制造成本的高昂，镓铟（锡）合金目前的应用还不广泛，而国外也只是少部分同仁制造并研究了这种合金。至于国内，目前能够有能力大量制造并进行了系统研究的同仁更是少数。本文作为镓铟锡合金制备及其性质研究的一部分，重点研究并总结了比较简单的合金制备方法，方便其他有兴趣的同仁制备并研究。

二、具体制备过程与冶炼法

  目前应用最为广泛的镓铟锡合金是一种名为galinstan的专利合金，它在低温环境下依然能够保持液态，再加上成本较镓铟合金低，因此也是制造最多的镓铟锡合金。

  我最早从《视觉之旅：神奇的化学元素2》一书中看到了galinstan的配方，随即萌生了制备该合金的想法。后又从维基百科上找到了关于这种合金的一些资料，现将原文呈述于下（只引用简介部分）：

Galinstan is a commercial liquid metal alloy whose composition is taken from afamily of eutecticalloys mainly consistingof gallium, indium, and tin. Such eutectic alloys are liquids atroom temperature, typically melting at −19 °C (−2 °F).[1] Due to the low toxicity and low reactivity of itscomponent metals, galinstan finds use as a replacement for many applicationsthat previously employed toxic liquid mercury or reactive NaK (sodium-potassium alloy). Anexample of a typical eutectic composition is 68 wt% Ga, 22 wt% In and 10 wt%Sn, though it varies between 62 wt% to 95 wt% Ga, 5 wt% to 22 wt% In, 0 wt% to16 wt% Sn while keeping eutectic ability. The marketing name is a portmanteau of gallium,indium, and stannum (Latin for"tin"). Galinstan is a registeredtrademark of the Germancompany Geratherm Medical AG. The exact composition of Galinstan is notpublicly known.

  从上面的资料中，可以看出一个普遍使用的配方是质量分数68.5％的镓，21.5％的铟和10％的锡。后来，鄙人发现大部分国外同仁也是使用了这一配方（galinstan真正的具体配方目前还是机密）。

  在掌握配方之后，便开始进行冶炼。

  首先是原料。由于液态镓的表面张力较小，因此会粘附在玻璃或塑料容器壁上，造成最终投料时镓的加入量偏小。因此，在制备时，最好是使用固态的镓，如果熔化了，可以在冰箱里先冷冻，使其凝固后再取出，这可以有效的避免投料量的减少。至于铟，我选用了铟珠。选用铟珠主要是为了方便与锡混合，并在熔化后能够较快形成熔融合金
。同样，为了方便融合，我选用了锡粒（镓和铟是由冥灵化试提供的，而锡则是由东北有色金属提供）


固体镓


铟珠


锡粒


其次是制备工具。由于三种组分中，锡的熔点最高，而锡的熔点只有231.9摄氏度，因此可以使用普通的喷灯或喷枪。不过，我最终选用的热源是煤气灶。主要原因是煤气灶火焰稳定，燃烧安全，操作简单，也有足够熔化三种合金组分的温度。

  至于容器，我最终选择的是镍坩埚。开始时我曾经考虑过使用我的石墨坩埚，因为石墨坩埚的热稳定性好，导热较快。但是，由于我的石墨坩埚中出现了一些尘土且无法清理，因此，为避免尘土污染合金，我最终选择了相对光洁的镍坩埚。镍坩埚唯一的不足就是会粘料，不过这并非不可克服的困难。

  接下来，便是最关键的冶炼法。由于镓极易熔化，因此，如果先将镓加入坩埚，再加入铟和锡的话，不仅会让铟和锡的熔化更为困难，而且，铟和锡还会被熔化的镓淹没，导致很难判断铟和锡是否已经熔化。因此，我在进行冶炼时，先将铟和锡混合均匀后放入坩埚中加热，待铟和锡熔化后加入镓，从而完成合金的制备。

  8月11日，我进行了第一批25克galinstan的试制。下图为试制成功的galinstan合金

  首先是铟和锡的氧化问题。在熔化后，铟珠和锡粒表面迅速生成了黑色的氧化层，而在使用搅拌棒搅拌后，成滩的液态铟和锡表面又生成了氧化层，使得铟和锡的实际质量减少。

  另一个问题就是镓的粘附问题。由于当时是暑假，镓由于高温熔化，使得一小部分镓粘附在了盛镓的烧杯上，导致少加了约1克镓。

  尽管如此，第一次试制的合金还是符合要求的，经过了0度环境的冷冻测试。在0摄氏度环境下依然保持液态。

  在吸取第一次试制的教训后，我于9月13日进行了第二批50克galinstan的制备。在第一次的基础之上，我又改进了冶炼法：

  在铟和锡熔化后，不进行搅拌，只划一下，确认已经熔化后便加入固体镓。而在镓加入后，先轻轻搅拌几下，以免组分无法混合。在关火冷却后，再进行二次搅拌，使合金混合得更均匀。以下是制备过程中拍摄的图片  




熔化铟和锡



加入镓，进行第一次搅拌后的合金







冶炼好的galinstan

封装完毕的galinstan
至此，可以整理一下制备法的程序：

混合铟和锡，开始加热

用搅拌棒试探一下，确认铟和锡熔化

加入固体镓

第一次搅拌

关火，二次搅拌，制备完成

这种方法也适用于镓铟合金的制作，与固熔法相比，混合得更充分，均匀。


（未完待续）