隨著人工智能、可穿戴設(shè)備等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的熱管理材料已經(jīng)較難滿足當(dāng)前微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。而以金屬鎵為代表的液態(tài)金屬（LM），因具有高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的生物相容性、良好的流動性等物理化學(xué)性質(zhì)，在柔性電子器件、熱界面材料、智能機(jī)器人傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。接下來，小編將為大家介紹一下液態(tài)金屬及其相關(guān)復(fù)合材料。

（圖源：文獻(xiàn)1）

什么是液態(tài)金屬？

液態(tài)金屬（LM），又稱低熔點金屬，是指熔點在300℃以下，常溫下以液態(tài)形式存在的金屬或合金，具有耐腐蝕、耐磨、熱導(dǎo)率高、流動性好、熱阻低等諸多優(yōu)點。傳統(tǒng)的金屬原子一般呈有序排列、有晶界、微觀結(jié)構(gòu)不均勻，而液態(tài)金屬呈無序排列、無晶界、微觀結(jié)構(gòu)均勻，它形成的關(guān)鍵條件是在金屬熔體的冷卻過程中讓其冷卻速率足夠大，熔體處于過冷狀態(tài)，此時金屬熔體的剪切粘度會急劇增大，導(dǎo)致傳質(zhì)過程困難，結(jié)晶反應(yīng)因而被抑制，熔體中的原子來不及進(jìn)行規(guī)則排列而形成獨特的短程有序，長程無序的原子排布。常見的液態(tài)金屬主要有銫、鈁、銣、汞、鎵，但由于汞在常溫下可以氣化且具有一定的毒性；銫、銣、鈁3種金屬具有較強(qiáng)的放射性，因而在一定程度上限制它們的應(yīng)用。

典型液態(tài)金屬與水的熱物理性質(zhì)對比表（圖源：文獻(xiàn)6）

液態(tài)金屬復(fù)合材料

液態(tài)金屬雖然具有較高的熱導(dǎo)率，但由于其具有較強(qiáng)的流動性，因此在實際應(yīng)用過程中，容易出現(xiàn)泄露問題，導(dǎo)致電路短路、器件損耗等情況的發(fā)生。因此，常常將其包裹在聚合物基體中，制成聚合物基復(fù)合材料來進(jìn)行使用。通常情況下，不同的制備方法會影響液態(tài)金屬在聚合物基體中的分布，進(jìn)而影響復(fù)合材料的整體導(dǎo)熱性。液態(tài)金屬在聚合物基體中的結(jié)構(gòu)分布大致可以分為非連續(xù)分布、單向連續(xù)分布以及三維連續(xù)分布。

1、非連續(xù)分布

非連續(xù)分布是指液態(tài)金屬在聚合物基體中呈液滴狀，孤立分散于聚合物基體中。這種情況下液態(tài)金屬被聚合物重重包裹著，缺乏有效的導(dǎo)熱路徑，因此熱導(dǎo)率的提升有限。只有液態(tài)金屬的體積分?jǐn)?shù)較高時，才會獲得較高的熱導(dǎo)率，而過多的液態(tài)金屬又會使復(fù)合材料的力學(xué)性能急劇下降。因此，應(yīng)該合理設(shè)計液態(tài)金屬在聚合物基體中的分布，選擇合適的聚合物種類、調(diào)控液態(tài)金屬填料的含量和成分，制備能適應(yīng)不同熱管理需求的導(dǎo)熱復(fù)合材料。通常，將液態(tài)金屬和未固化的聚合物(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅油等)進(jìn)行機(jī)械混合，可得到該種復(fù)合材料，其通常具有各向同性的導(dǎo)熱性能，但熱導(dǎo)率提升有限。

Mei等通過機(jī)械攪拌的方式將鎵銦錫合金和硅油混合，得到非連續(xù)分布的液態(tài)金屬/硅油導(dǎo)熱硅脂，當(dāng)鎵銦錫合金的體積分?jǐn)?shù)為81.8%時，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為5.27W/(m·K)，可以很均勻地涂抹在金屬表面。由于鎵銦錫合金被硅油包裹，因此，在維持復(fù)合材料電絕緣狀態(tài)的同時，還解決了液態(tài)金屬對Al基底的腐蝕問題。

機(jī)械攪拌法制備鎵銦錫合金非連續(xù)分布的PDMS基復(fù)合材料示意圖（圖源：文獻(xiàn)2）

2、單向連續(xù)分布

單向連續(xù)分布是指液態(tài)金屬具有一定取向的排列特征，在擇優(yōu)取向方向上，液態(tài)金屬會連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布，形成熱傳導(dǎo)路徑；在垂直于連續(xù)分布的方向上，液態(tài)金屬填料會被聚合物分離，而難以形成有效的導(dǎo)熱通路，因此復(fù)合材料具有各向異性的導(dǎo)熱特性。在液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)較小的情況下，液態(tài)金屬復(fù)合材料在某一方向上會獲得較高的熱導(dǎo)率。與非連續(xù)分布相比，在定向排列的方向上熱量傳遞更有效，因而使用較少的液態(tài)金屬就能使某一方向上的熱導(dǎo)率顯著提升。針對不同的熱管理應(yīng)用場合，可選用不同的制備方法，來實現(xiàn)目標(biāo)方向上的導(dǎo)熱性能強(qiáng)化，對于熱界面材料等縱向散熱場合而言，可以利用磁場約束，使復(fù)合材料的縱向熱導(dǎo)率提升，而對于均熱板等橫向散熱的應(yīng)用場合來說，可利用拉伸或抽濾的方法，使橫向熱導(dǎo)率提升。

Ralphs等向鎵銦錫合金中添加鍍Ag的Ni顆粒，由于Ag增加了Ni與液態(tài)金屬之間的潤濕性，因此，兩者能更緊密地結(jié)合在一起。隨后，將該液態(tài)金屬基混合填料與硅橡膠混合，并將混合物置于磁場中，利用帶有磁性的Ni使液態(tài)金屬混合填料在磁場作用下沿磁場方向縱向排列。當(dāng)填料體積分?jǐn)?shù)為50%時，所得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率接近6W/(m·K)。

3、三維連續(xù)分布

三維連續(xù)分布是指液態(tài)金屬在橫向、縱向等多個方向上均呈連續(xù)分布且均能提供導(dǎo)熱通路，所制成的復(fù)合材料具有各向同性的高熱導(dǎo)率。在聚合物內(nèi)部構(gòu)建液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)，可以在液態(tài)金屬含量較低的情況下，同時提高多個方向上的熱導(dǎo)率，制成的復(fù)合材料也因此可以適用于各種熱管理場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前在聚合物基體中構(gòu)建液態(tài)金屬三維網(wǎng)絡(luò)的方法較為單一，多數(shù)為模板法，因而會受制于模板，導(dǎo)致制備過程復(fù)雜耗時、靈活性不高。因此，找尋更加簡單、靈活的液態(tài)金屬三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制備方法，是實現(xiàn)高導(dǎo)熱、各向同性聚合物基導(dǎo)熱材料工業(yè)化的關(guān)鍵步驟。

Yao等通過糖模板法制得PDMS泡沫，隨后，通過真空處理使鎵銦共晶合金滲透到PDMS泡沫中，形成鎵銦共晶合金的體積分?jǐn)?shù)為15%的三維網(wǎng)絡(luò)。在60%的壓縮應(yīng)變下，所得復(fù)合材料的面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率分別達(dá)到4.25W/(m·K)和4.05W/(m·K)，顯示出較好的導(dǎo)熱性能。

糖模板法制備液態(tài)金屬三維網(wǎng)絡(luò)的聚合物基復(fù)合材料示意圖（圖源：文獻(xiàn)2）

應(yīng)用

1、柔性器件

液態(tài)金屬由于具有較強(qiáng)的柔韌性、出色的流動性等特點，可以大大增強(qiáng)柔性傳感器的靈敏度和拉伸極限，在該領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用前景。

鎵基液態(tài)合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，對人體無害，其熔點一般低于30℃，飽和蒸氣壓很低，是一種非常理想的柔性電極材料。相較傳統(tǒng)的柔性電極材料，鎵基液態(tài)合金擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性，柔性電子器材元件的內(nèi)部電路可以通過設(shè)計微流道后以注入液態(tài)合金的方式實現(xiàn)。由液態(tài)合金材料制成的柔性電子器件即使在發(fā)生較大的拉伸、壓縮、彎曲及扭絞等情況下，仍然能夠保障器件的正常使用，新型的鎵基液態(tài)合金甚至可以實現(xiàn)自行修復(fù)或愈合電路。

2、熱界面材料

目前，市面上常用的熱界面材料主要為有機(jī)硅脂，但其存在熱導(dǎo)率較低的問題，一般只有0.2W/(m·K)。而液態(tài)金屬擁有非常好的導(dǎo)熱能力，如鎵的熱導(dǎo)率為33W/(m·K)，即使被制成有黏附性的熱界面材料，其熱導(dǎo)率仍可以維持在15W/(m·K)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅脂材料。液態(tài)金屬基導(dǎo)熱材料性能非常穩(wěn)定、使用壽命長，無有機(jī)物揮發(fā)，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)熱界面材料發(fā)干、性能惡化的問題，使其在計算機(jī)芯片、大功率電子設(shè)備、光電器件等先進(jìn)設(shè)備中展現(xiàn)出高效的散熱效果及穩(wěn)定性，有效保障電子器件的穩(wěn)定運行。

3、循環(huán)工質(zhì)

當(dāng)空氣冷卻無法滿足電子設(shè)備不斷增長的發(fā)熱量時，液冷技術(shù)作為一種新穎有效的散熱技術(shù)應(yīng)運而生。傳統(tǒng)冷卻劑的傳熱性能較差，無法達(dá)到電子設(shè)備的需求。液態(tài)金屬因其良好的導(dǎo)電性而能夠由電磁泵驅(qū)動，驅(qū)動效率高，能耗低；與水、油和熔鹽等非金屬介質(zhì)相比，液態(tài)金屬具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此液態(tài)金屬散熱模塊可以實現(xiàn)更極致的散熱能力；液態(tài)金屬的理化性能穩(wěn)定，可以保證散熱系統(tǒng)高效、長期、穩(wěn)定地運行。液態(tài)金屬不同于水、油等經(jīng)典流體，其獨特之處在于受到非接觸電磁力或氧化還原反應(yīng)誘導(dǎo)的力的作用時，會發(fā)生移動和變形。液態(tài)金屬熱回路可通過無運動部件的電磁泵驅(qū)動，無噪音，能耗低。導(dǎo)電電磁泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點，常被應(yīng)用在液態(tài)金屬電子冷卻系統(tǒng)中，而感應(yīng)式電磁泵具有體積流量大、不需要大電流低電壓的電源等特點，更適用于大型能源系統(tǒng)。

液態(tài)金屬的廣泛應(yīng)用（圖源：文獻(xiàn)3）

小結(jié)

除了上面列舉的幾種應(yīng)用場景，液態(tài)金屬還可以用作載流潤滑劑、磁流體發(fā)電、限流器、電驅(qū)動器等高溫、高壓、高導(dǎo)熱領(lǐng)域。然而，液態(tài)金屬目前仍存在一些問題，如材料的可持續(xù)性、制備成本較高、材料結(jié)合強(qiáng)度、大規(guī)模制備等問題需要解決。

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