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后发先至的液态金属


来源:中国粉体网   Betty

[导读]  近日,中国工程院院刊《中国工程科学》刊发《液态金属科技与工业的崛起:进展与机遇》。介绍了液态金属物质科学领域涌现出的若干典型进展、基础问题与工业应用范例,剖析现象背后的科学规律。液态金属作为兼具基础探索与实际应用价值的重大科学、技术与工业前沿,发展前景广阔。撰写人刘静作为中国科学院理化技术研究所双聘研究员、清华大学医学院生物医学工程系教授早在今年二月就提出了轻质液态金属的概念,研发出密度低于水的液态金属复合材料。

中国粉体网讯  


液态金属发展现状和特点


液态金属指在室温附近或更高一些的常温下呈液态的金属,又称低熔点金属。液态金属最大的优势在于熔融后的塑形能力。由于其凝固过程的物理特性与普通金属完全不同,使它的铸造过程更加类似于塑料而非金属,可以更方便的打造为各种形态的产品。在液态金属中典型的有镓基、铋基金属及其合金,因其安全无毒、性能卓越,正成为异军突起的革命性材料;其他如汞、铯、钠钾合金等,虽在常温下也处于液态,但具有毒性、放射性或危险性,在应用上受到很大限制。与低熔点金属形成对比的是,在高温(如600~700℃)条件下才能呈现液态的金属或其合金,称为高熔点金属,作为经典冶金材料内容已被广泛研究。


在世界范围内,很长一段时间常温液态金属被忽视了。而近年来取得的颠覆性发现和技术突破,更多体现在揭示常温液态金属的基础科学现象与重大应用途径方面。液态金属在常温下可流动、导电性强、热学特性优异、易于实现固液转换,因沸点高(温度高达2300℃时仍处于液相)而不会像水那样沸腾乃至爆炸;可以说仅用单项材料就将诸多尖端功能材料的优势集于一体,有望突破许多传统技术的应用瓶颈,据此打开极为广阔的产业应用空间。


液态纯金属种类稀少,一般在实际中使用的是液态合金材料,需具备以下特点:

①物理化学性能优良,如高热导率、电导率、低粘度等;

②环境友好、无毒无害、非易燃易爆、易于回收利用,具有较低的蒸汽压和挥发性;

③成本宜尽可能低。也因如此,阻碍液态金属快速发展和应用的瓶颈之一就是缺乏足够多的可选材料以及对相应材料属性的认识。


为改变这种现状,国内研究团队提出了液态金属材料基因组计划,旨在发现新的液态金属功能材料,进而解决材料种类短缺的问题。探索和发现更多的液态金属复合材料以满足日益增长的实际需求,这是领域研究的持续方向。


液态金属应用领域


(一)液态金属先进热控与能源技术


随着微纳电子技术的应用与发展,高集成度芯片、器件与系统引发的热障问题成为制约各种高端应用的普遍性难题。21世纪初,在芯片冷却领域引入了低熔点合金流体散热技术。经过近20年的发展,常温液态金属冷却领域已建立了相对完备的理论与应用技术体系。液态金属除了在高功率密度电子芯片、光电器件、国防装备极端散热等方面有着重要应用价值外,正在逐步拓展到消费电子、低品位热能利用、光伏发电、能量储存、智能电网、高性能电池、发动机冷却、热电转换等领域。


(二)液态金属印刷电子与3D打印


传统电子制造工艺繁多,涉及多个环节,消耗了大量的原料、水、气和能源。为改变这一现状,我国学者首次提出了液态金属印刷电子学、室温金属3D打印等创新思想。液态金属印刷电子学与室温3D金属打印方法的建立,使得个性化功能器件的快速制造成为可能,降低了高端制造的门槛,有望普及推广到大众百姓。


(三)液态金属生物医学与健康技术


在生物医学与健康技术领域,独特的液态金属带来了观念性变革。中国研究团队率先将液态金属用于解决一系列重大生物医学难题与瓶颈,系统地提出并构建了液态金属生物医学材料学新领域,研究成果引发国际性反响。其中,液态金属神经连接与修复调控技术因其独创性而被视为“令人震惊的医学突破”。


(四)液态金属柔性智能机器


学术界普遍认为,软体机器人技术一旦突破,必将显著影响高端制造、医疗康复、国防装备等领域。从构建全新体系的理念出发,中国研究团队开创性提出了不同于传统的液态金属软体机器人技术路径,在材料、器件、系统等方面逐步形成相应理论与技术体系。结合液态金属与刚性材料,还可实现固液组合机器。采用电控可变形旋转的“液态金属车轮”,可驱动3D打印的微型车辆,实现行进、加速以及更多复杂运动。


整体来看,液态金属衍生出了全新的可变形机器概念,将显著提速柔性智能机器的研制进程。鉴于这些发现的突破性,相应成果在国际上引发较大反响,先后得到Nature、Nature Materials、Science News、New Scientist、Chemistry World等的评介,且液态金属机器人被列为机器人领域最具发展潜力的十大方向之一。


参考文献:

刘静. 液态金属科技与工业的崛起:进展与机遇

深度行业研究. 液态金属:金属新材料中的新贵

知领. 液态金属科技与工业的崛起


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