車用液態(tài)金屬材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)*

丁龍飛 王童 陳軼嵩 金泰峰 張凌霄 劉永濤

（長安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：汽車 液態(tài)金屬 車用材料 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

材料領(lǐng)域的每一次重大突破都將對(duì)其他領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生重要影響，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者、以色列理工學(xué)院教授Dan Shechtman曾表示：“在今天的技術(shù)中，最大的一個(gè)限制就是材料技術(shù)方面的缺乏”。毫無疑問，新材料的研發(fā)將是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

液態(tài)金屬是近年來新材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，在工信部印發(fā)的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》中，液態(tài)金屬被列為前沿新材料[1]。與傳統(tǒng)材料相比，液態(tài)金屬有著諸多優(yōu)良特性，它的出現(xiàn)突破了許多技術(shù)瓶頸，顛覆了眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這其中就包括了汽車產(chǎn)業(yè)。本文將對(duì)液態(tài)金屬及其在車輛上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)車用液態(tài)金屬材料未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 液態(tài)金屬材料及其特性

2.1 常用液態(tài)金屬材料

液態(tài)金屬材料是指在室溫或接近室溫時(shí)依然可以保持液態(tài)的金屬，又稱低熔點(diǎn)金屬。常見的液態(tài)金屬主要包括：銫(Cs)、銣(Rb)、汞(Hg)以及鎵(Ga)。其中汞、銫、銣在常溫下也是液態(tài)，由于具有毒性、放射性或不穩(wěn)定性，在實(shí)際使用中會(huì)受到諸多限制。而鎵基、鉍基金屬及其合金因其安全無毒、性能卓越的特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

自然界中常溫液態(tài)純金屬的種類較少，主要有汞、鎵、銫，因此實(shí)際使用時(shí)一般采用液態(tài)金屬合金材料。為發(fā)現(xiàn)新的液態(tài)金屬功能材料，進(jìn)而解決材料種類短缺的問題，國內(nèi)已有研究團(tuán)隊(duì)提出了液態(tài)金屬材料基因組計(jì)劃[2]。

2.2 液態(tài)金屬基本特性

液態(tài)金屬材料集成了多種功能材料的優(yōu)良性能，具有良好的流動(dòng)性、強(qiáng)導(dǎo)電性多種優(yōu)勢(shì)。以下以液態(tài)金屬鎵及其合金為例，介紹液態(tài)金屬的基本特性（表1）。

表1 液態(tài)金屬鎵及其合金的主要物理性質(zhì)[3]

2.2.1 導(dǎo)熱性

對(duì)于高性能芯片，“熱障”問題一直是限制其向更高性能發(fā)展的一大瓶頸。液態(tài)金屬憑借高導(dǎo)熱特性，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻介質(zhì)對(duì)熱源進(jìn)行冷卻。

2.2.2 流動(dòng)性

液態(tài)金屬的粘度較低，為0.002 2 kg/（m2·s-1），水的粘度為0.001 kg/(m2·s-1)，因此液態(tài)金屬擁有與水相近的流動(dòng)性。基于這一特性，液態(tài)金屬可用作電池電極，從而在根本上避免固態(tài)電極的枝晶問題[4]。

2.2.3 密度

盡管常規(guī)的液態(tài)金屬密度很高，但通過制備輕質(zhì)液態(tài)金屬，可得到低密度液態(tài)金屬復(fù)合材料（圖1），其密度可低至水的一半，且純液態(tài)金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)強(qiáng)度及固液相變性質(zhì)能得到保留[5]。

圖1 基于液態(tài)金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復(fù)合材料及對(duì)應(yīng)密度[6]

3 車用液態(tài)金屬使用現(xiàn)狀

3.1 液態(tài)金屬在汽車中的應(yīng)用

3.1.1 汽車噴漆

液態(tài)金屬車漆率先在高端車型上得到使用。例如，保時(shí)捷的918 Spyder（圖2），作為保時(shí)捷旗下的一款超級(jí)跑車，該款車型采用了液態(tài)金屬作為漆面，使整車具有非常亮眼的外觀，但選裝價(jià)格也高達(dá)83.09萬元人民幣。近年來，液態(tài)金屬漆面也逐漸在乘用車上使用，例如日產(chǎn)旗下的英菲尼迪QX60也采用液態(tài)金屬漆面（圖3）。

圖2 保時(shí)捷918 Spyder

圖3 英菲尼迪QX60

3.1.2 車門

車門鎖蓋應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、耐磨性、高彈性和靜音性能。由液態(tài)金屬制成的車門鎖蓋可以提高鎖的耐久性和門閉合效果。目前，宜安科技公司生產(chǎn)的液態(tài)金屬汽車鎖蓋已成功在特斯拉Model 3車型上得到應(yīng)用（圖4、圖5）。

圖4 特斯拉Model 3

圖5 液態(tài)金屬鎖蓋

3.13 汽車裝飾件

液態(tài)金屬具有優(yōu)異的耐腐蝕性，出色的光潔表面度和高硬度，不少高端汽車會(huì)在內(nèi)飾中使用液態(tài)金屬裝飾部件（圖6）。

圖6 液態(tài)金屬內(nèi)飾

3.1.4 車身

液態(tài)金屬也可作為車身材料應(yīng)用于整車。最先將液態(tài)金屬用于車身的是一款3D打印概念車（圖7），其車身采用了大面積液態(tài)金屬，但只能作展覽，不能進(jìn)行駕駛。隨后，寶馬也發(fā)布了一款名為Motorrad Concept Link的電動(dòng)概念車（圖8），其車身也采用液態(tài)金屬材料且能夠?qū)嶋H使用，雖然未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但它的誕生也表明了液態(tài)金屬作為車身材料是一個(gè)可行方向。

圖7 3D打印的液態(tài)金屬車身

圖8 寶馬Motorrad Concept Link

3.2 車用液態(tài)金屬存在的問題

3.2.1 液態(tài)金屬成本過高

液態(tài)金屬材料種類較少，但可選材料并不多，其原材料大多為稀有金屬，且成本較高，例如近半年來鎵的價(jià)格已超過2 000元/kg，使得液態(tài)金屬尚不能在車輛上大量使用，進(jìn)而限制了車用液態(tài)金屬材料的快速發(fā)展和應(yīng)用。

3.2.2 尺寸限制

利用液態(tài)金屬制造大型部件的工藝難度極高，成品率比較低，這也是目前液態(tài)金屬產(chǎn)品中小型零配件居多的原因。車輛上使用的零部件通常體積較大，這意味著要想在車輛上大面積推廣液態(tài)金屬，必須掌握大塊部件成型制造的核心技術(shù)。

4 車用液態(tài)金屬材料發(fā)展趨勢(shì)

4.1 車身輕量化材料

車身輕量化的目的是在確保車身的強(qiáng)度和安全性能達(dá)到要求的前提下，最大限度減輕汽車車身質(zhì)量，同時(shí)要控制汽車車身的制造成本在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國汽車行業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略，對(duì)車身輕量化有著更高的要求。有研究顯示：對(duì)于電動(dòng)汽車而言，減輕100 kg車重大約能增加車輛續(xù)駛里程的10%[7]?，F(xiàn)階段車身輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金。液態(tài)金屬作為新型材料也可用于車身，且由于液態(tài)金屬復(fù)合材料的密度可低至水的密度的一半。若將其應(yīng)用于車身，車身可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

4.2 車輛電子器件冷卻

隨著汽車智能化、電動(dòng)化等前沿技術(shù)發(fā)展，汽車傳感器等電子器件的數(shù)量也在增加，而電子器件散熱的情況將嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品工作的可靠性，進(jìn)而影響車輛的實(shí)際使用性能。傳統(tǒng)的電子器件散熱技術(shù)發(fā)展較為完備，主要的散熱技術(shù)有空冷散熱、液冷散熱及熱管散熱等。

目前，液態(tài)金屬散熱技術(shù)也有相關(guān)研究，國內(nèi)自2002年以來，劉靜研究員的團(tuán)隊(duì)和其他研究人員就在持續(xù)研究液態(tài)金屬冷卻技術(shù)[8]。國外，2009年，Aqwest公司(美國)在美國空軍資助下，已開始開發(fā)用于混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehide，HEV)和插電式HEV逆變器的大功率激光二極管[9-10]和大功率電子芯片[11-12]的液態(tài)金屬冷卻技術(shù)，并成功開發(fā)了一種緊湊的圓形液態(tài)金屬散熱裝置。

可見液態(tài)金屬散熱技術(shù)作為新型散熱技術(shù)，有望成為未來汽車電子設(shè)備散熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

4.3 動(dòng)力電池材料

通常所說的新能源汽車“三電技術(shù)”包括動(dòng)力電池技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)以及整車電控技術(shù)。其中，動(dòng)力電池是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)，動(dòng)力電池的技術(shù)水平將直接影響車輛的續(xù)航能力和駕駛性能。

目前，新能源汽車使用的動(dòng)力電池主要是三元電池和磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池具有能量密度較高、安全性能好、循環(huán)壽命長、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但存在能量密度較低，電池性能受溫度影響較大的缺點(diǎn)；而三元電池的能量密度高、循環(huán)性能較好，但熱穩(wěn)定性較差。

為提高動(dòng)力電池的使用性能，可采用液態(tài)金屬作為動(dòng)力電池的電極材料。研究顯示，由于液態(tài)金屬的流動(dòng)性較好，若將其用作電池的電極材料，可以從根本上解決傳統(tǒng)可充電電池存在的枝晶、材料脫落和粉化問題[13]，從而提高汽車動(dòng)力電池的使用性能。可預(yù)見，液態(tài)金屬材料在未來有望在汽車動(dòng)力電池上普及。

5 總結(jié)

從材料的角度，液態(tài)金屬材料有別于以往汽車上的任何材料。盡管目前液態(tài)金屬作為新型材料在車輛上的應(yīng)用并不廣泛，這其中既有成本因素也有技術(shù)因素。但隨著近些年液態(tài)金屬技術(shù)的不斷突破以及車輛的“四化”發(fā)展，液態(tài)金屬在車輛上有望得到廣泛使用。