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熱転写用液体金属パッケージング

インジウムとガリウムを含む常温の液体金属またはインジウム合金の使用と、ステンレス鋼に対する反応について質問がありました。

多くの科学者が、NaKに代わる安定した熱伝導性の液体材料を積極的に探しています。インジウムと ガリウムの液体金属(インダロイ51E)はステンレス鋼と反応しますか?

冶金学者ボブ・ジャレットの答えはこうだ:

短い答えだ:

ガリウム合金は、原子炉容器のNaK液体金属の代替品として試験され、~600℃まで許容できる性能を示した。ガリウム合金は、ステンレス鋼電極を浸漬したスイッチにも使用されています(アーク放電による損傷を低減するため、メーク/ブレーク素子は通常タンタルです)。インダロイ51Eの用途に使用される温度では、ステンレス部品の摩耗は見られないと思います。
長い答えだ:
どんな液体金属でも、別の清浄な金属表面を濡らす。実用的な相互作用では、酸素、窒素、炭素の薄い層が濡れを防ぐのに十分であることが多い(表面化学とフラックスの科学は、これらの問題を克服するために開発された)。
ガリウム合金は、フラックスなしでこの表面層を破壊することができる。これにより、母材金属と液体合金が密接に接触する。もし母材がガリウムに対して溶解性を持っていれば、溶解します。その速度は、固体から液体合金への物質輸送によって制限される。温度、乱流、金属中のガリウムの溶解度が速度に影響する。
暴露の温度が十分に高ければ、ステンレス鋼元素は合金に溶解し始める。合金表面の乱流は、コーヒーに砂糖を溶かすための撹拌のように、拡散境界層を破壊する。400-600℃までのステンレス鋼中の鉄、クロム、ニッケルは、ガリウムと本質的に相互不溶性である(耐火性元素のタンタル、タングステン、モリブデン、ジルコニウム、チタンなどと同様)。この温度以上になると、ステンレス鋼中の元素はガリウムに溶解し始める。
アルミニウムはガリウムと同じ周期律群に属し、両者は広い溶解範囲を持っている。~20%のガリウムは固体のアルミニウムに溶解し、~1%のアルミニウムは融点のガリウムに溶解する。ガリウム合金がアルミニウムと接触すると、ガリウムが固体中のアルミニウムを置換し、Al-Gaアマルガムに変化するのを妨げる拡散障壁は本質的にない。