液態(tài)金屬（羧基液體丁腈橡膠 Metals，LM）是一種在常溫常壓狀態(tài)下呈現(xiàn)液態(tài)，具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，同時(shí)可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，又被稱為低熔點(diǎn)金屬。液態(tài)金屬是由加利福尼亞州理工的威廉·約翰遜（William Johnson）教授在20世紀(jì)所命名并闡述的，液態(tài)金屬其實(shí)并不簡單指處于液態(tài)的金屬，還包括處于液態(tài)的金屬合金。典型的液態(tài)金屬有汞（熔點(diǎn)為-38.83℃），銫[sè]，鈉鉀合金，鎵基、鉍基金屬及其合金。液態(tài)金屬具有潤滑性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、電磁性、生物相容性、流動(dòng)性和可變形性等性能。
液體金屬可用于新材料創(chuàng)制、熱控與能源技術(shù)、印刷電子與3D打印、生物醫(yī)學(xué)與健康技術(shù)和柔性智能機(jī)器等。
歷史
液態(tài)金屬是由加利福尼亞州理工的威廉·約翰遜（William Johnson）教授在20世紀(jì)所命名并闡述的，液態(tài)金屬其實(shí)并不簡單指處于液態(tài)的金屬，還包括處于液態(tài)的金屬合金。
汞在公元前16～前15世紀(jì)就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，是人們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)液態(tài)金屬。其看起來像流動(dòng)的銀，所以又俗稱汞。鈉鉀合金是除了汞以外第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的常溫液態(tài)金屬。金屬銫在1860年被發(fā)現(xiàn)。
在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人們研究了汞及其合金（也稱為汞齊）的廣泛應(yīng)用。例如：1643年，發(fā)明了汞氣壓計(jì)；1717年水銀玻璃溫度計(jì)開始商業(yè)化；19世紀(jì)發(fā)明了汞活塞泵等。后來，由于汞的急性毒性，公眾日益關(guān)注，要求引入其他液態(tài)金屬和合金。因此，液態(tài)金屬研究轉(zhuǎn)向了另一個(gè)方向，逐漸發(fā)現(xiàn)了其他金屬和合金。特別是，鎵及其共晶合金（如鎵鋅合金和鎵合金）的發(fā)現(xiàn)為液態(tài)金屬研究帶來了新時(shí)代。例如：19世紀(jì)發(fā)明了鎵鋁合金和鎵銦合金；20世紀(jì)發(fā)明了鎵錫合金、鎵和鎵銦溫度計(jì)、鎵銦錫鋅合金、鎵銀合金、鎵汞齊、鎵錫合金、鎵鋅合金等。而到了21世紀(jì)，開始研究軟體電子產(chǎn)品、軟體機(jī)器人、室溫液態(tài)金屬電池、液態(tài)金屬基反應(yīng)環(huán)境、鎵合金熱界面材料等。
簡介
“液態(tài)金屬”是一個(gè)廣義的術(shù)語，統(tǒng)指與常用金屬相比，熔點(diǎn)低得多的金屬和金屬合金。在元素周期表的所有金屬中，只有汞（Hg）在室溫（25℃）和常壓下以液態(tài)存在，其熔點(diǎn)為-38.83℃。同樣，一些元素在25-40℃和常壓下保持液態(tài)，即熔點(diǎn)分別為27℃、28.44℃、29.76℃和39.3℃的（Fr）、銫（Cs）、鎵（Ga）和（Rb）。同時(shí)，液態(tài)金屬合金也被稱為液態(tài)金屬。例如，鎵銦錫合金（GaInSn）和共晶鎵銦合金（EGaIn）是鎵與銦（In）和錫（Sn）的共晶合金，分別含有68.5%的Ga、21.5%的In、10%的Sn和75%的Ga，以及25%的In。
性質(zhì)
熔點(diǎn)
各種純金屬的熔點(diǎn)差別很大。純金屬在一定溫度下熔化或凝固，而大部分合金（除共晶成分合金）則有一個(gè)熔化（或結(jié)晶）溫度區(qū)間。熔化溫度區(qū)間的大小取決于合金的種類和化學(xué)成分，同時(shí)也影響金屬的流動(dòng)性、鑄件的結(jié)晶過程及宏觀組織，因而也影響鑄件的質(zhì)量和性能。
熱膨脹及凝固收縮
液態(tài)金屬比固態(tài)金屬具有更大的熱膨脹率，這是液態(tài)金屬內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)使空位增加所致。固態(tài)晶體中的空位數(shù)為10-3～10-6數(shù)量級，隨溫度上升，空位數(shù)不斷增加，當(dāng)金屬熔化時(shí)空位數(shù)顯著增加，與此相對應(yīng)，液態(tài)金屬體積明顯增加。
低溫脆斷
液態(tài)合金中的錫屬于低熔點(diǎn)金屬，在低溫下表現(xiàn)出脆斷特性。錫在13.2℃以上比較堅(jiān)硬和穩(wěn)定，但其耐寒能力差，低溫下錫的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重新排列，原子之間的空隙加大，膨脹造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使金屬錫碎裂成粉末。通常，銀白色的錫金屬上首先會(huì)出現(xiàn)一些粉狀小點(diǎn)，之后小點(diǎn)逐漸蔓延擴(kuò)大，變成小孔，繼而擴(kuò)大到整個(gè)金屬，直至全部金屬分崩離析，成為煤灰狀粉末。
導(dǎo)電性
金屬熔化后，電阻將增加。近代物理方法測定結(jié)果表明，液態(tài)時(shí)的自由電子數(shù)與固態(tài)相比并沒有多大差別。熔化時(shí)導(dǎo)電性的下降可以考慮是由液態(tài)中原子平均位置的熱振動(dòng)之振幅的增加和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的增加引起的。
導(dǎo)熱性
液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性對其散熱能力影響很大。導(dǎo)熱性高的金屬，其冷卻速度較快，金屬斷面的溫度梯度較小。因此，由溫差在鑄件內(nèi)部引起的熱應(yīng)力也較小。
擴(kuò)散速度
固態(tài)金屬中的擴(kuò)散機(jī)理可以用晶體中的原子與空位交換位置加以解釋。與固態(tài)金屬中的空位數(shù)量相比，液態(tài)時(shí)空位數(shù)大大增加，大約10個(gè)原子位置中就有一個(gè)空位，因此，擴(kuò)散速度大為加快，液態(tài)中的擴(kuò)散速度比固態(tài)晶體中大102～105倍。例如，在1500 ℃的鐵液中Mn的擴(kuò)散系數(shù)為6×10-5 cm2/s，而在固態(tài)鐵中的擴(kuò)散系數(shù)僅為4×10-9 cm2/s。
黏滯性
液體在層流運(yùn)動(dòng)的情況下，各液層間有摩擦阻力，成為液體的內(nèi)摩擦，阻礙液體的流動(dòng)。內(nèi)摩擦阻力是液態(tài)金屬的物理特性之一，稱為黏度。其本質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力。影響?zhàn)ざ鹊囊蛩匕ǎ簻囟取⒒瘜W(xué)成分、非金屬夾雜物等。
表面張力
液態(tài)金屬表面質(zhì)點(diǎn)受到周圍質(zhì)點(diǎn)對它的作用力是不平衡的。若是與氣體接觸，則相對來說受到液體內(nèi)部的力較大，所以就產(chǎn)生了方向垂直于液面，且指向液體內(nèi)部的力。這樣就使得液面像被―彈性薄膜所包圍一樣，力求減少其表面積，由此產(chǎn)生了表面張力。顯然，表面受力的不對稱性越大，則表面張力越大。力場不對稱性是由于物質(zhì)本身質(zhì)點(diǎn)間的作用力和表面質(zhì)點(diǎn)與相鄰相質(zhì)點(diǎn)間的作用力不同而引起的。所以表面張力的大小既與液體本身性質(zhì)有關(guān)，又和與它相接觸的相的性質(zhì)有關(guān)。常溫液態(tài)金屬的表面張力都很大，常溫條件下，特定組分的鎵銦合金的表面張力可達(dá)700 mN/m，汞的表面張力約為483 mN/m。影響表面張力的因素包括：熔點(diǎn)、溫度、溶質(zhì)。
表面張力引起的附加壓力
根據(jù)液體中表面張力的物理意義可以推導(dǎo)出表面張力引起的附加壓力。設(shè)在液體中有一半徑為r的球形氣泡，由液體表面張力造成了指向內(nèi)部的力p（見下圖）。
球的表面積S為：
球的體積V為：
若將球的體積增大△V，則必須克服阻力p而對它做功：
而做的功變成了表面積增大后的表面自由能增量：
故
由此可見，因表面張力而造成的附加壓力p與曲率半徑r成反比。在較細(xì)的圓管中液體的凸面或凹面可以看作是球面的一部分，其曲率半徑即球的半徑。
對于任意形狀的彎曲液面，附加壓力可用拉普拉斯公式表示：
，式中，R1和R2為液體曲面上兩個(gè)相互垂直弧線的曲率半徑。如液面凸起（不浸潤），附加壓力為正值；液面下凹（潤濕），附加壓力為負(fù)值，如下圖所示。如果材料被金屬液浸潤，則接觸角0<90°；如果材料不被金屬液浸潤，則浸潤角0>90°。
流動(dòng)性
液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性，由液態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決定。金屬的流動(dòng)性好，有利于充型，氣體和雜質(zhì)的排除，以及凝固過程中溶質(zhì)元素的擴(kuò)散和凝固后期的補(bǔ)縮、防裂，對獲得優(yōu)質(zhì)鑄件至關(guān)重要。液態(tài)金屬在砂型中流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出如下力學(xué)特性：粘性流體流動(dòng)（粘性隨溫度降低而增大）、不穩(wěn)定流動(dòng)（充型過程中液態(tài)金屬與鑄型間的熱交換導(dǎo)致流速變化）、多孔管中流動(dòng)（可能卷入氣體形成氣孔或氧化夾渣）、紊流流動(dòng)（雷諾數(shù)超過臨界值時(shí)發(fā)生紊流）。充型過程對鑄件質(zhì)量的影響很大，充型過程不利時(shí)可能造成冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，需通過合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)優(yōu)化流動(dòng)行為。
在討論流動(dòng)性時(shí)，常將合金液在凝固過程中停止其流動(dòng)的溫度稱為零流動(dòng)性溫度；將合金加熱至零流動(dòng)性溫度以上同一過熱度時(shí)的流動(dòng)性稱為真正流動(dòng)性；而在同一鑄造溫度下的流動(dòng)性稱為實(shí)際流動(dòng)性。
應(yīng)用
液態(tài)金屬可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、航空航天、生物醫(yī)療和軍工等領(lǐng)域。
電子產(chǎn)品
液態(tài)金屬的應(yīng)用正在逐步拓展到消費(fèi)電子產(chǎn)品。通過印刷方式在各種柔性、剛性基材甚至人體皮膚上直接制造出目標(biāo)電路、元器件、集成電路和終端功能器件。這使得個(gè)性化功能器件的快速制造成為可能，降低了高端制造的門檻。
液態(tài)金屬的熱控能力被應(yīng)用到臺式計(jì)算機(jī)用液態(tài)金屬散熱器，液態(tài)金屬熱界面材料，相變散熱模塊，液態(tài)金屬冷卻大功率高架燈及發(fā)光二極管（LED）路燈，筆記本電腦用超薄型液態(tài)金屬散熱器，高性能服務(wù)器冷卻用液態(tài)金屬散熱器等。
航空航天
室溫液態(tài)金屬在航空航天領(lǐng)域的熱控問題中具有極高潛力的應(yīng)用價(jià)值。采用液態(tài)金屬作為散熱工質(zhì)的熱控技術(shù)主要聚焦于三點(diǎn)：①對流換熱技術(shù)；②固液相變換熱技術(shù)；③復(fù)合換熱技術(shù)。
空間太陽能電站和通信衛(wèi)星作為大功率發(fā)熱器件，體積緊湊，熱量集中，可以充分利用液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱特性，通過對流方式在較短的流動(dòng)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高熱量的轉(zhuǎn)移。天基激光武器和航天器著陸緩沖機(jī)構(gòu)（反推發(fā)動(dòng)機(jī)部分）是瞬時(shí)高熱流密度工作的典型例子，是固液相變技術(shù)的典型應(yīng)用。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)鏡片組對控溫精度具有極高的穩(wěn)定性要求，一般通過半導(dǎo)體制冷片對鏡片實(shí)施高精度控溫，可考慮將液態(tài)金屬流動(dòng)回路作為二級散熱方式輔助半導(dǎo)體制冷片工作。
適合采用液態(tài)金屬對流散熱技術(shù)的部件級應(yīng)用有電加熱元件、衛(wèi)星電源控制器、鉚鐘控溫系統(tǒng)、衛(wèi)星相控陣天線和天線TR組件陣列等。
生物醫(yī)療
基于液態(tài)金屬的環(huán)境生物醫(yī)療類芯片已得到廣泛應(yīng)用，例如：液態(tài)金屬用于免疫檢測的集成化微流控芯片，微流控細(xì)胞分選裝置，脫氧核糖核酸分析微流控芯片，血細(xì)胞分析微流控芯片，可調(diào)節(jié)溶液濃度梯度的微混合器等。
由液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)調(diào)控技術(shù)，衍生出了系列化的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，創(chuàng)建了液態(tài)金屬高分辨血管造影術(shù)等。此外，還發(fā)展出了液態(tài)金屬栓塞血管治療腫瘤技術(shù)、堿金屬流體熱化學(xué)消融治療腫瘤法、注射式低熔點(diǎn)金屬骨水泥、剛?cè)嵯酀?jì)型液態(tài)金屬外骨骼、印刷式液態(tài)金屬柔性防輻射技術(shù)、植入式醫(yī)療電子在體3D打印與注射電子，液態(tài)金屬皮膚光熱轉(zhuǎn)換與電磁學(xué)、液態(tài)金屬醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)等。
軍事領(lǐng)域
液態(tài)金屬在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用集中在以下兩個(gè)方面：射頻天線和印刷電子電路。目前液態(tài)金屬軍用射頻電子天線已完成原型件驗(yàn)證，進(jìn)入技術(shù)轉(zhuǎn)化階段；液態(tài)金屬3D打印作為柔性電子器件的制造新前沿，為常溫下直接制造柔性導(dǎo)線、執(zhí)行器、電極系統(tǒng)、可穿戴式機(jī)械外骨骼的元器件開辟了一條方便、快捷且有望實(shí)現(xiàn)普及化應(yīng)用的途徑。
前沿科技應(yīng)用
液態(tài)金屬新材料創(chuàng)制
液態(tài)金屬也可制成多孔物質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)更多奇特功能和行為。例如，有關(guān)特性可用于制造水下變形機(jī)器、柔性機(jī)械臂、外骨骼、柔性智能機(jī)器人等。可借助不同熔點(diǎn)的液態(tài)金屬與協(xié)同材料，發(fā)展出更多寬溫區(qū)工作的液態(tài)CIT材料體系。
基于輕質(zhì)液態(tài)金屬的基本思想，以共晶鎵合金及中空玻璃微珠為代表，可制備出密度僅為水的一半、可漂浮于水面的液態(tài)金屬復(fù)合材料。這種材料保留了純液態(tài)金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)強(qiáng)度、固液相變等特性，還具有可塑性、可變形性乃至磁性等特征；據(jù)此設(shè)計(jì)各種平面與三維應(yīng)用場景，如水面電路、水中機(jī)器人，還可引入不同封裝來實(shí)現(xiàn)對材料漂浮行為的調(diào)控。
柔性智能機(jī)器
柔性智能機(jī)器的標(biāo)志性進(jìn)展之一，是首次揭示了電場調(diào)控下液態(tài)金屬呈現(xiàn)出的一系列大尺度變形、旋轉(zhuǎn)、定向運(yùn)動(dòng)以及合并、斷裂再合并行為，這成為后續(xù)研究液態(tài)金屬可變形機(jī)器人的開端。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即2015年，劉靜團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬可通過吞噬微量鋁形成自驅(qū)動(dòng)全柔性機(jī)器，速度達(dá)厘米每秒級、運(yùn)行時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，該成果為可變形機(jī)器研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。這種自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬組成的微馬達(dá)群可在電場中形成高速的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。
結(jié)合液態(tài)金屬與剛性材料，還可實(shí)現(xiàn)固液組合機(jī)器。采用電控可變形旋轉(zhuǎn)的“液態(tài)金屬車輪”，可驅(qū)動(dòng)3D打印的微型車輛，實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、加速以及更多復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。此外，液態(tài)金屬可在石墨表面以任意形狀穩(wěn)定呈現(xiàn)的自由塑形能力，由此可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬逆重力攀爬。若將液態(tài)機(jī)器單元予以分組編程，將建立起可控型柔性智能機(jī)器人的可行技術(shù)途徑，這將改變傳統(tǒng)機(jī)器人的技術(shù)形態(tài)。
常見類型
汞
汞是一種非常特殊的金屬，在-38.83℃以上就呈現(xiàn)液態(tài)，直到356.7℃才氣化。汞的熔點(diǎn)是所有穩(wěn)定金屬中最低的。汞是銀白色閃亮的重質(zhì)液體，常溫下即可蒸發(fā)。汞蒸氣和汞的化合物多有慢性劇毒，在人們?nèi)粘Ｉ钪校陙砉氖褂迷絹碓缴佟?/p>
曾經(jīng)從瑪雅精英墓葬（公元100-700年）發(fā)現(xiàn)了90至600克汞，這些汞可能被裝于碗中作為占卜用的鏡子。因?yàn)楣且环N密度很高、不透明的液體，具有近乎線性的熱膨脹特性，被用來制作水銀血壓計(jì)（血壓計(jì)）、氣壓計(jì)、擴(kuò)散泵、庫侖計(jì)和許多其他實(shí)驗(yàn)室儀器。早期，液態(tài)汞也被用作一些核反應(yīng)堆的冷卻劑，以及推進(jìn)系統(tǒng)中離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑。
銫
而金屬銫是一種金黃色、熔點(diǎn)低（熔點(diǎn)28.4℃）的活潑金屬。銫在堿金屬中是最活潑的，在空氣中極易被氧化生成一層灰藍(lán)色的氧化銫，不到一分鐘就會(huì)自燃，發(fā)出深紫紅色火焰，生成銫的氧化物。在所有在室溫下為固體的元素中，銫是最軟的，它的莫氏硬度為0.2。
銫產(chǎn)生的輻射頻率具有長時(shí)間的穩(wěn)定性，利用這一特點(diǎn)可作成一種準(zhǔn)確度極高、體積小、質(zhì)量輕的時(shí)鐘———銫原子鐘。銫因?yàn)槠錁O易電離的特性，因此可被用于磁流體發(fā)電機(jī)、離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和熱離子發(fā)電器。金屬銫也被認(rèn)為是高溫朗肯循環(huán)渦輪發(fā)電機(jī)的工作流體。銫-133可以被激光冷卻，用于探測量子物理學(xué)中的基本和技術(shù)問題。
鈉鉀合金
鈉鉀合金中鈉和鉀的質(zhì)量比為1∶3，熔點(diǎn)低于-10℃，一般都保存在惰性氣體中。
另外，鈉鉀合金由于其非常寬的液態(tài)溫度范圍（一般液體在高溫下即氣化，液態(tài)溫度范圍窄）和極低的蒸汽壓（可用于真空中），在快中子反應(yīng)器中還會(huì)被用作冷卻劑，可用作高溫和高輻射環(huán)境中的液壓油。此外，鈉鉀合金還會(huì)被用作一些反應(yīng)的催化劑和干燥劑。
鎵基合金
鎵是一種淡藍(lán)色金屬，在29.76℃時(shí)變成銀白色的液體（見下圖），到2200℃才會(huì)氣化，所以金屬鎵的液態(tài)溫區(qū)相當(dāng)長。
一般來說，鎵被認(rèn)為是一種無毒的金屬，單質(zhì)鎵也不會(huì)在生物組織內(nèi)聚集。有些醫(yī)學(xué)工作者甚至將鎵作為一種體內(nèi)示蹤的材料。鎵和多種金屬形成的合金也有低熔點(diǎn)的特性。一些典型的鎵基合金的熔點(diǎn)見下表：
鎵可以用來制造鏡子。材料科學(xué)家推測，鎵的特性可能使其適合開發(fā)柔性和可穿戴設(shè)備。
鎵銦錫的近共晶合金，熔點(diǎn)低至-19℃，被用于醫(yī)用溫度計(jì)。鎵銦合金可將氣態(tài)二氧化碳沉淀為固體碳，并正在研究作為碳捕獲和可能碳去除的潛在方法。
鉍基合金
鉍被認(rèn)為是無毒的，作為一種高原子量的致密元素，用于浸鉍天然橡膠防護(hù)罩中，以屏蔽CT等醫(yī)學(xué)檢查中的X射線。
鉍基合金曾被用來制造青銅時(shí)代的鉍青銅，曾在馬丘比丘的印加刀中被發(fā)現(xiàn)。許多鉍合金具有低熔點(diǎn)，可用于焊料等特殊應(yīng)用。In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7合金其熔點(diǎn)為47℃，被用于火災(zāi)探測和滅火系統(tǒng)中的許多自動(dòng)噴水滅火器、電熔斷器和安全裝置。Bi-Cd-Pb-Sn合金熔點(diǎn)為70℃，被用于汽車和中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司。
參考資料 >
Technical Events & Content Sector.asme.2023-12-21