鎵基液態(tài)金屬在電熱力學(xué)領(lǐng)域的研究進展與展望

高國強 ，彭 偉 ，馬亞光 ，錢鵬宇 ，向 宇 ，王青松 ，閆麗婷 ，吳廣寧

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.國網(wǎng)山西省電力公司超高壓變電分公司，山西 太原 030000）

液態(tài)金屬是指某些熔點低而在室溫附近以液態(tài)形式存在的金屬或金屬合金，兼顧了液體的流動性和金屬的導(dǎo)電性，是一種具有獨特物理化學(xué)性質(zhì)的功能材料.傳統(tǒng)金屬原子呈有序排列，有晶界，微觀結(jié)構(gòu)不均勻.而液態(tài)金屬原子呈無序排列，無晶界，微觀結(jié)構(gòu)均勻.由于液態(tài)金屬不定型的液體形態(tài)使得其具有極佳的電學(xué)性能和熱力學(xué)性能.金屬晶體在吸收熱量從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程中，溫度并未升高，原子間的引力急劇減小，從而造成原子結(jié)合鍵的破壞，金屬原子間的規(guī)則排列被打亂，金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài).隨著溫度的升高，晶體網(wǎng)格內(nèi)空位的數(shù)量逐漸增加，原子間作用力進一步降低，金屬液體狀的黏度減小.常見的室溫液態(tài)金屬主要有銫（Cs，熔點28.4 ℃）、鈁（Fr，熔點27.0 ℃）、銣（Rb，熔點39.3 ℃）、汞（Hg，熔點-38.8 ℃）和鎵（Ga，熔點29.8 ℃）[1].其中：汞是日常生活中最常見的液態(tài)金屬，但由于汞的劇毒和易揮發(fā)等特性限制了其發(fā)展；銣、銫、鈁3 種液態(tài)金屬也由于其具有較強的放射性而難以得到廣泛應(yīng)用[2].

金屬鎵于1875 年被發(fā)現(xiàn)，相比于其他液態(tài)金屬，鎵具有毒性低、蒸汽壓低、可回收利用等特性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且可以通過與其他金屬（如銦、錫、鋅）合金化來降低熔點[3].最常見的鎵基液態(tài)金屬合金有共晶鎵銦合金（EGaIn，Ga、In 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.755、0.245）和鎵銦錫合金（GaInSn，Ga、In、Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.685、0.215、0.100）.鎵基液態(tài)金屬合金具有良好的理化性能，目前，已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、柔性電子、散熱冷卻和摩擦潤滑等領(lǐng)域.

鎵基液態(tài)金屬合金擁有諸多優(yōu)良特性，但金屬鎵易被氧化且價格昂貴，限制了鎵基液態(tài)金屬的發(fā)展與應(yīng)用.鎵基液態(tài)金屬合金的表面反應(yīng)性很強，即使在極低的氧氣濃度下，其表面也會發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層氧化膜[4].該氧化膜的形成一方面會使合金喪失原有的導(dǎo)電能力和流動性能，另一方面，也會對合金內(nèi)部起到保護膜的作用，即阻止氧化膜包裹的合金內(nèi)部被進一步氧化，保證液滴合金內(nèi)部的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.早在2002 年，中國研究團隊首次提出將鎵基液態(tài)金屬用于芯片冷卻領(lǐng)域，隨后又開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D 打印、生物醫(yī)學(xué)、可變形機器等多個領(lǐng)域的研究，使得液態(tài)金屬逐漸成為研究熱點[5].

本文對鎵基液態(tài)金屬的制備方法、性能特點、應(yīng)用領(lǐng)域進行論述，對其未來在材料改性、新型電子器件、太陽能電池、自恢復(fù)滑動電接觸等方面的應(yīng)用進行展望.

1 鎵基液態(tài)金屬的制備

1.1 鎵基液態(tài)金屬合金的制備

實驗室制備鎵基液態(tài)金屬合金的方法主要有噴吹攪拌法、氣氛保護熔煉法和油浴加熱法.

劉辰等[6]采用氬氣保護及噴吹攪拌法制備鎵銦錫液態(tài)金屬合金，實驗裝置如圖1 所示.首先，將不同質(zhì)量配比的鎵、銦、錫純金屬顆粒放置于純凈燒杯中，燒杯上方用膠塞堵塞住，膠塞上分別設(shè)置進氣口和出氣口；然后，將氬氣通過進氣口通入燒杯中以排除燒杯內(nèi)的空氣，通過酒精燈加熱將燒杯內(nèi)的純金屬全部熔化，形成熔體，氬氣在加熱的過程中不僅能抑制鎵金屬的氧化，還能對熔體進行噴吹攪拌；最后，將熔體自然冷卻，獲得鎵銦錫液態(tài)金屬合金.采用這種方法制備鎵基液態(tài)金屬合金，由于燒杯內(nèi)的金屬受熱不均勻，易出現(xiàn)所獲得的鎵銦錫液態(tài)金屬合金不均勻的現(xiàn)象.耿繼業(yè)等[7]采用氣氛保護熔煉法制備鎵銦錫鋅液態(tài)金屬合金.即將一定質(zhì)量配比的鎵、銦、錫、鋅純金屬放入石墨坩堝內(nèi)，并移入氣氛爐中，將氣氛爐中空氣抽出，通入高純氬氣，由于金屬鋅的熔點較高，故將氣氛爐加熱到600 ℃以上，保溫2 h，待氣氛爐冷卻至室溫，取出石墨坩堝，獲得鎵銦錫鋅液態(tài)金屬合金.油浴加熱法是指在燒杯中加入鎵及其他純金屬，在惰性氣體的保護下，通過油浴加熱的方式將燒杯內(nèi)的金屬全部熔化，形成熔體，并在加熱的過程中采用電磁攪拌，使熔體內(nèi)金屬分布均勻，最后冷卻，獲得鎵基液態(tài)金屬合金[8].采用油浴加熱法制備鎵基液態(tài)金屬合金，加熱過程中金屬材料受熱均勻，且采用電磁攪拌，制備出的鎵基液態(tài)金屬合金品質(zhì)較高，但油浴加熱溫度有限，無法將熔點過高的金屬材料熔于鎵金屬中.

圖1 噴吹攪拌法制備鎵銦錫合金[6]Fig.1 Preparation of GaInSn alloy by spray stirring[6]

制備鎵基液態(tài)金屬合金大體上可分為4 步：

步驟1按所需鎵基液態(tài)金屬合金的質(zhì)量配比將純金屬原材料加入制備器皿中；

步驟2通入惰性氣體排出制備器皿內(nèi)的空氣；

步驟3將制備器皿內(nèi)的溫度升高至純金屬材料的熔點以上，形成熔體；

步驟4將制備器皿內(nèi)的熔體冷卻，獲得合金.

在制備鎵基液態(tài)金屬合金的過程中，通入惰性氣體的目的是抑制鎵基液態(tài)金屬合金在制備的過程中被氧化，確保所制備鎵基液態(tài)金屬合金的品質(zhì).在加熱形成熔體的過程中，只需將溫度升高至純金屬熔點以上即可，同時，通過電磁或機械的方式對熔體攪拌一定時間，以確保鎵基液態(tài)金屬合金的均勻性.

1.2 鎵基液態(tài)金屬顆粒的制備

通過改變鎵基液態(tài)金屬顆粒的大小可進一步提高鎵基液態(tài)金屬的性能.上海大學(xué)張配同等[9]將鎵基液態(tài)金屬合金與一定量的丙酮溶液混合后加入燒杯，將燒杯放置于超聲波清洗機中處理一段時間，得到鎵銦錫微球懸濁液，將懸濁液靜置一段時間后可獲得粒徑較小的液態(tài)金屬微球，通過改變超聲時間、超聲功率，可控制所獲液態(tài)金屬微球粒徑大小.上海交通大學(xué)Yu 等[10]提出一種自下而上的物理氣相沉積的方法制備納米級液態(tài)金屬顆粒，通過改變沉積時間控制鎵基液態(tài)金屬顆粒大小，其原理如圖2所示.將鎵基液態(tài)金屬原料放置于加熱電阻上，加熱電阻通過大電流產(chǎn)生熱量，使液態(tài)金屬原料汽化，生成金屬蒸汽，金屬蒸汽在硅襯底上冷卻，獲得納米級鎵基液態(tài)金屬.

圖2 物理氣相沉積法[10]Fig.2 Physical vapor deposition[10]

1.3 鎵基液態(tài)金屬氧化層的制備

鎵基液態(tài)金屬通常呈現(xiàn)銀白色的物理外觀，這限制了其在某些對色彩和美學(xué)要求嚴(yán)格領(lǐng)域的應(yīng)用.為解決鎵基液態(tài)金屬色彩問題，云南大學(xué)Duan等[11]提出通過熱氧化法誘導(dǎo)共晶鎵銦錫合金，將其表面由金屬轉(zhuǎn)化為熒光半導(dǎo)體.將一定質(zhì)量比的鎵、銦、錫純金屬放置于真空干燥箱中，60 ℃加熱30 min，制備出共晶鎵銦錫合金（EGaInSn），隨后，將共晶鎵銦錫合金滴到硅襯底上，在去離子水中浸泡30 s 使其表面氧化，形成Ga2O3和Ga2O 氧化層，將氧化后的共晶鎵銦錫合金放置在真空環(huán)境管狀爐中，在600 ℃的溫度下退火6 h，使表面氧化層轉(zhuǎn)化為β-Ga2O3殼層，這種殼體能使液態(tài)金屬液滴具有熒光，而不影響其內(nèi)部流動性和導(dǎo)電性，轉(zhuǎn)化機理示意如圖3 所示.

2 鎵基液態(tài)金屬合金的研究進展

2.1 鎵基液態(tài)金屬合金的基本特性

2.1.1 物理特性

鎵基液態(tài)金屬具有低熔點、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、低蒸汽壓及高表面張力等物理特性.純鎵金屬的熔點是29.8 ℃，鎵金屬與其他金屬（如銦、錫）形成合金，可將熔點降低到室溫以下[12].例如，共晶鎵銦合金和鎵銦錫合金的熔點分別是15.7 ℃和 -19.0 ℃.與其他液態(tài)金屬相比，鎵基液態(tài)金屬在室溫下的蒸汽壓極低，如共晶鎵銦合金在300 ℃時的蒸汽壓小于1.33×10-10Pa，而水銀在42 ℃時蒸汽壓就達(dá)到了1 Pa[13-14].鎵基液態(tài)金屬合金擁有優(yōu)良的電學(xué)特性，其導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于其他液態(tài)金屬，鎵銦錫合金的電導(dǎo)率約為3.1×106S/m[15]，在一定的應(yīng)變條件下，其導(dǎo)電能力略高于碳納米管.在鎵基液態(tài)金屬合金中加入不同的金屬粉末可改變液態(tài)金屬的電導(dǎo)率[2].在極低溫度下，某些成分配比的鎵基液態(tài)金屬合金甚至?xí)霈F(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象.此外，鎵基液態(tài)金屬還具有很好的導(dǎo)熱性能[14].鎵銦錫合金在室溫下的熱導(dǎo)率約為水的27 倍，研究人員發(fā)現(xiàn)在水中加入鎵銦錫合金，通過低頻超聲乳化處理得到超聲納米乳液，可以提高其材料熱導(dǎo)率[16].室溫下，鎵基液態(tài)金屬在較寬的載荷范圍內(nèi)具有良好的潤滑性和較高的承載能力[15].鎵基液態(tài)金屬從液相到固相轉(zhuǎn)變時，會出現(xiàn)負(fù)熱膨脹現(xiàn)象[14].在高純度惰性氣體環(huán)境下測得鎵銦錫液態(tài)金屬在玻璃上的前進接觸角和后退接觸角分別為146.8° 和121.5°，表面張力為534.6 mN/m.對液態(tài)金屬液滴施加電壓可改變其接觸角大小[17].相關(guān)鎵基液態(tài)金屬在液態(tài)下的物性參數(shù)如表1 所示.

表1 鎵基液態(tài)金屬的物理特性[1,2,13]Tab.1 Physical properties of gallium-based liquid metals[1,2,13]

2.1.2 化學(xué)特性

鎵基液態(tài)金屬合金靜置在空氣中時易被氧化，其表面會與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成約3 nm 厚的Ga2O3或Ga2O 氧化膜[2]，該薄膜的形成會使合金表面的某些物理性質(zhì)發(fā)生改變，如合金表面張力發(fā)生變化、潤濕性增加、黏度系數(shù)提高、熱導(dǎo)率降低等，合金顏色也會由光亮逐漸變?yōu)榛野?另一方面，該薄膜的形成也會阻止合金內(nèi)部被進一步氧化，促進合金內(nèi)部的化學(xué)與機械穩(wěn)定性[16].此外，通過強酸、強堿處理可以有效克服液態(tài)合金的氧化問題.將鎵基液態(tài)金屬放置于經(jīng)HCl 溶液浸漬過的紙張上，可以防止鎵基液態(tài)金屬合金被氧化，改善鎵基液態(tài)金屬的疏水性[18].NaOH 溶液與鎵基液態(tài)金屬合金互不相溶，且鎵基液態(tài)金屬合金的密度較大，可利用一定濃度的NaOH 溶液除去鎵基液態(tài)金屬合金表面的氧化膜，實現(xiàn)合金的回收利用[19].鎵基液態(tài)金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，可以明顯降低其表面張力，在共晶鎵銦合金中加入金屬鎂，甚至可以使其光熱轉(zhuǎn)換率提高61.5%[14].在液態(tài)金屬中加入鐵磁性的鐵或鎳金屬材料，不但可以使液態(tài)金屬具有磁響應(yīng)性能，還能使其具有正的壓電性[2].

2.2 鎵基液態(tài)金屬合金的應(yīng)用

2.2.1 電學(xué)領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬合金綜合了金屬和流體的特點，因其良好的導(dǎo)電性、流動性和高表面張力而被廣泛應(yīng)用于故障限流器、微動開關(guān)、柔性電子產(chǎn)品、電源儲能、電驅(qū)動器、磁流體發(fā)電等各個領(lǐng)域.

1）限流與電氣開斷領(lǐng)域

鎵銦錫液態(tài)金屬合金具有磁收縮效應(yīng)，當(dāng)鎵銦錫液態(tài)金屬通過大電流時，大電流周圍會感應(yīng)出強磁場，反過來使得合金本身出現(xiàn)收縮、截斷、起弧現(xiàn)象[20].2005 年西安交通大學(xué)陳德桂[21]提出基于磁收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器，其腔體裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示.這種故障限流器具有自恢復(fù)、環(huán)保等特點.在中低壓系統(tǒng)中，當(dāng)通過正常電流時，該限流器對外呈現(xiàn)低阻態(tài)；一旦系統(tǒng)發(fā)生短路故障，絕緣片上小孔內(nèi)的短路電流密度遠(yuǎn)大于絕緣片兩端電流密度，從而引起通孔內(nèi)故障電流自感應(yīng)出的磁場強度大于通孔外，如圖5 所示.圖中，BΦ為磁感應(yīng)強度.孔內(nèi)液態(tài)金屬在磁場和大電流產(chǎn)熱的影響下會出現(xiàn)收縮、截斷、起弧現(xiàn)象，此時，限流器對外呈現(xiàn)高阻態(tài)，達(dá)到限流的目的.基于磁收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器在限流過程中會出現(xiàn)劇烈燃弧，燃弧對電極材料及絕緣片均會有一定的燒蝕和損傷，該限流器對電極與絕緣片的選材要求較高.

圖4 液態(tài)金屬限流器[21]Fig.4 Liquid metal flow restrictor[21]

圖5 液態(tài)金屬磁收縮示意Fig.5 Magnetic shrinkage of liquid metals

Niayesh 等[22]基于電流交換原理研制了一種利用電磁力控制鎵基液態(tài)金屬運動限制故障電流的裝置，其原理如圖6 所示.圖中：B為磁場強度，I為電流，F(xiàn)為電磁力.正常運行時，鎵銦錫液態(tài)金屬直接接觸兩端固定電極，電路電流由固定電極和液態(tài)金屬導(dǎo)通，整個裝置呈低阻態(tài)，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，鎵銦錫液態(tài)金屬在外部導(dǎo)線所產(chǎn)生電磁力的作用下向上運動，從而將電阻材料串入整個電路中，使整個裝置呈高阻態(tài)，限制故障電流，待故障結(jié)束，液態(tài)金屬由電磁力的減小而回到固定電極之間，使限流器恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài).該限流器具有內(nèi)部無電弧、可自恢復(fù)、反應(yīng)速度快、便于維護等特點，但對外部電磁觸發(fā)裝置的靈敏度要求較高，且因為外部電磁觸發(fā)裝置的加入擴大了整體限流器的體積.

圖6 新型液態(tài)金屬限流裝置原理[22]Fig.6 New liquid metal flow restrictor[22]

液態(tài)金屬開關(guān)通過控制封裝在玻璃外殼內(nèi)的液態(tài)金屬液滴的位置來實現(xiàn)開關(guān)通斷，鎵基液態(tài)金屬開關(guān)由于其無毒、低蒸汽壓等特性，逐漸取代了水銀開關(guān).耿繼業(yè)等[7]為制備鎵基液態(tài)金屬開關(guān)，采用真空鍍膜機在銅導(dǎo)線表面鍍1～10 mm 厚的碳膜，在玻璃殼內(nèi)部噴涂四氟乙烯涂料，在氬氣的保護下將1 mL 的鎵銦錫鋅合金液滴入玻璃內(nèi)殼，然后封閉玻璃端和導(dǎo)線端，成功制備出鎵基液態(tài)金屬玻璃傾斜開關(guān).南京理工大學(xué)Shen 等[23]介紹了一種以鎵銦合金為導(dǎo)電元件的具有自恢復(fù)特性的“固-液”接觸型慣性開關(guān)，如圖7 所示.該開關(guān)采用帶微流體通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基底，鉻和金作為固定電極，在氮氣環(huán)境下向微流體通道填充鎵銦液態(tài)金屬液滴；液態(tài)金屬液滴在慣性力下產(chǎn)生一個加速度，當(dāng)加速度大于其閾值時，液態(tài)金屬流入電極所在通道，開關(guān)導(dǎo)通，加速度消失時，液態(tài)金屬液滴能夠依靠自身的高表面張力回到原來位置，實現(xiàn)開關(guān)的自動復(fù)位.為實現(xiàn)對鎵基液態(tài)金屬慣性開關(guān)的精密控制，劉瑞[24]研究了微通道結(jié)構(gòu)的尺寸、壁面的濕潤性和微流體體積對開關(guān)閾值的影響，利用低表面能物質(zhì)對微通道進行疏液處理，提高液態(tài)金屬與壁面接觸角的方式提高開關(guān)閾值的穩(wěn)定性，將閾值誤差降低到1%以內(nèi).為提高液態(tài)金屬開關(guān)的響應(yīng)效率，楊文振等[25]通過刻蝕-相分離的方法對微流體通道基底表面進行疏水改性的研究，使微流體通道表面同時發(fā)生化學(xué)刻蝕、相分離和SiO2沉淀過程，進而形成梯度粗糙表面，改變鎵基液態(tài)金屬與微流體通道壁面的潤濕性，提升液態(tài)金屬慣性開關(guān)的加速度閾值和響應(yīng)時間.

圖7 “固-液”接觸型液態(tài)金屬慣性開關(guān)[23]Fig.7 “Solid-liquid”contact liquid metal inertial switch[23]

Jeon 等[26]通過在鎵基液態(tài)金屬氧化層表面涂覆鐵磁性顆粒獲得具有磁性、非濕潤性鎵基液態(tài)金屬液滴，通過調(diào)控磁鐵調(diào)節(jié)磁化后的鎵基液態(tài)金屬液滴位置，達(dá)到控制電路通斷的目的，如圖8 所示.

圖8 鎵基液態(tài)金屬液滴開關(guān)示意[26]Fig.8 Gallium-based liquid metal droplet switch[26]

2）柔性電路與傳感領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬在柔性電路與傳感領(lǐng)域應(yīng)用主要是利用其液態(tài)可任意塑形、無磨損電接觸、導(dǎo)電通道自恢復(fù)等特點.隨著可穿戴或植入電子設(shè)備、柔性可穿戴傳感器、電子皮膚、可拉伸射頻天線等一系列柔性電子的出現(xiàn)，這些設(shè)備需要在不斷變形的過程中運行，而液態(tài)金屬能夠在柔性電子的應(yīng)用中發(fā)揮其獨特的優(yōu)點.首先，液態(tài)金屬具備流動性和柔軟性的特點，保證其在正常的工作條件下任意變形也不會改變性能，同時，液態(tài)金屬具有自修復(fù)的能力，保證其在長久的使用階段不會發(fā)生電阻突變和斷路的情況.其次，液態(tài)金屬具有強的導(dǎo)電性能，鎵銦錫合金的電導(dǎo)率約為3×104S/cm，略低于金的電導(dǎo)率（4×105S/cm），但卻遠(yuǎn)高于一些常用柔性材料，如碳納米管及凝膠，而且導(dǎo)電率不受環(huán)境影響，非常穩(wěn)定.此外，對于一般的固態(tài)金屬需要加工足夠薄才能具有足夠的柔性，在外力的施加下，還存在著斷裂、疲勞等不可逆的機械損傷，造成電接觸、連通路徑失效，而液態(tài)金屬在拉伸、扭絞中無機械摩擦和疲勞，連通路徑可自恢復(fù)，可大大提升柔性電子導(dǎo)電機構(gòu)的穩(wěn)定性和壽命.隨著以鎵基合金等新型液態(tài)金屬材料的出現(xiàn)，具有無毒且不揮發(fā)的特點，這些優(yōu)勢使液態(tài)金屬在柔性電子領(lǐng)域受到了國內(nèi)外科研工作者的青睞[27-29].

與固體電極不同，鎵基液態(tài)金屬合金因其流動性可作為自恢復(fù)的軟電極，且可以根據(jù)實際工程的需要，任意改變軟電極的形狀[1].耿繼業(yè)等[30]利用3D 打印制備聚氨酯微通道，并在微通道內(nèi)注入鎵銦錫合金后封裝，制備出液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線，通過實驗發(fā)現(xiàn)，外力基本不影響柔性電路導(dǎo)線電阻值.液態(tài)金屬直寫打印廣泛應(yīng)用于石墨烯、碳納米管、銀、銅電極之間的電接觸.液態(tài)金屬直寫打印通常通過剪切驅(qū)動印刷和體積流動印刷兩種方式實現(xiàn)[31].Cook等[32]通過剪切驅(qū)動印刷的方式將共晶鎵銦合金打印到基材上，獲得微型高導(dǎo)電電路，并通過實驗研究獲得最佳點膠壓力、基材材料、打印高度等操作參數(shù).Yin 等[33]將共晶鎵銦合金注入到PDMS 微流體通道內(nèi)，制備微流體剪切力傳感器；將此傳感器安裝在機器人的手指上，該傳感器可以捕捉外部觸覺信息，通過改變微流體通道內(nèi)電阻值將信息傳回機器人手指.Mengüc 等[34]采用3D 打印技術(shù)打印一種應(yīng)變片微通道，在通道內(nèi)注入鎵基液態(tài)金屬，制備可拉伸電阻型傳感器，可以監(jiān)測人體的運動，該原理是利用微通道兩側(cè)所受到的張應(yīng)力和壓應(yīng)力的不同，檢測出液態(tài)金屬微通道的電阻相對變化量與彎曲角度具有線性變化的關(guān)系，從而判斷出人體主要關(guān)節(jié)的運動狀態(tài).

目前，鎵基液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線的制備方法大致有3 種：微流管注入法、印刷制備法和微粒機械燒結(jié)法[35].

微流管注入法主要是采用加壓的注入方式將液態(tài)金屬注入微流管來制備柔性導(dǎo)線.將液態(tài)金屬注入到熱塑性（TPE）彈性管內(nèi)，就能夠得到一種簡易的可拉伸導(dǎo)線[36-37]，測量不同拉伸長度和拉伸速度下所對應(yīng)的電阻大小和信號傳輸效果，發(fā)現(xiàn)在拉伸200 次的實驗中，其電阻有微小的變化，與拉伸長度近似成正比關(guān)系，信號傳輸效果與靜態(tài)時一致，驗證了液態(tài)金屬作為可拉伸導(dǎo)線的實用性與可靠性.Zhu 等[38]采用熔體加工的方法制備可拉伸的中空纖維管，在纖維管中注入液態(tài)金屬鎵銦合金，在大于700%的拉力形變下依然能夠保持持續(xù)導(dǎo)電的能力.但由于生產(chǎn)工藝和效率問題，微流管法目前不適用于規(guī)模的制備.

印刷制備法是指利用編程、模具等其他方法來控制印刷路徑，在襯底材料表面直接制備出液態(tài)金屬導(dǎo)線來連接電路.在彈性表面材料上印刷液態(tài)金屬墨水，也可以制作可拉伸的液態(tài)金屬導(dǎo)體，在一定范圍內(nèi)重復(fù)拉伸實驗，液態(tài)金屬導(dǎo)體能夠保持較好的穩(wěn)定性，對液態(tài)金屬墨水的電學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，其電阻率會隨著氧含量的增多而增大[39].印刷制備法能夠按照設(shè)定程序來印刷線路，制備的效率大大提升，主要有筆寫法和噴墨法，但現(xiàn)在遇到的主要困難是液態(tài)金屬對襯底材料的浸潤性差，該問題制約著印刷法的發(fā)展.

機械燒結(jié)法[40]是將液態(tài)金屬制備成微粒懸濁液，在襯底的材料上沉積，生成液態(tài)金屬液滴，其表面會自然形成氧化鎵薄膜，利用機械的方式對液態(tài)金屬薄膜進行壓縮、刻畫，致使液態(tài)金屬微粒表面氧化膜破裂，釋放出未被氧化的液態(tài)金屬，液態(tài)金屬顆粒之間連通形成導(dǎo)線.Lin 等[41]使用該法用液態(tài)金屬顆粒制作了柔性電路板和天線，將液態(tài)金屬納米顆粒嵌入彈性基質(zhì)，施加局部壓力后，顆粒融合在一起，形成導(dǎo)電路徑.目前，機械燒結(jié)法的主要缺陷是制作的導(dǎo)線表面存在裂縫，影響導(dǎo)線的質(zhì)量.

3）電源儲能領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬因其優(yōu)異的自修復(fù)性能，在電源儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.為解決可充電電池普遍存在的固體負(fù)極枝晶以及電極表面材料脫落、粉化等問題，陳玉等[42]基于鎵基液態(tài)金屬良好的流動性，在電池充放電的過程中利用鎵基液態(tài)金屬可逆固、液相轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)自我修復(fù)，解決枝晶問題，同時與固態(tài)電極保持良好的接觸界面，解決材料的脫落問題.Deshpande 等[43]將金屬鎵用于鋰離子電池負(fù)極，發(fā)現(xiàn)在40 ℃下鎵電極在循環(huán)的過程中具有自修復(fù)現(xiàn)象.然而，當(dāng)金屬鎵用于電極時，電池的工作溫度仍高于室溫，并且循環(huán)性能不佳.因此，研究人員將研究重點轉(zhuǎn)向鎵基液態(tài)金屬合金上.陳玉等[44]將鎵錫合金作為鋰離子電池負(fù)極材料，結(jié)合靜電紡絲膜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點與液態(tài)金屬的流動性及高表面張力，將鎵基液態(tài)金屬約束在納米纖維內(nèi)部，限制鎵基液態(tài)金屬在充放電過程中與集流體的分離及體積膨脹，使鎵基液態(tài)金屬自修復(fù)性能得到充分的利用，鋰離子電池在充放電100 次后，其容量保持率高達(dá)94.8%.在鎵基液態(tài)金屬-空氣原電池中，鎵基液態(tài)金屬作為負(fù)極，鉑包覆碳纖維紗為正極，濃度為37.5%的KOH 溶液為電解質(zhì).鎵基液態(tài)金屬合金失去電子被氧化，而空氣中的氧氣得到電子被還原[45]，如圖9所示.主要反應(yīng)式為

圖9 鎵基液態(tài)金屬-空氣原電池工作原理[45]Fig.9 Working principle of gallium-based liquid metal-air primary batteries[45]

Liu 等[46]利用共晶鎵銦合金與MnO2制造出可充電電池，其中，共晶鎵銦合金用作電池正極，MnO2用作電池負(fù)極，堿性水凝膠為電解質(zhì).Wang 等[47]利用浸濕在鍍銅碳纖維上的鎵基液態(tài)金屬作為陽極，空氣電極作為陰極，設(shè)計出一種具有儲能、傳感和信號換能器等功能的集成電池，為開發(fā)高性能、高集成度電池開辟了新的方向.浙江大學(xué)Huang 等[48]制造出共晶鎵銦合金納米液滴，并將共晶鎵銦合金納米液滴應(yīng)用于鋰離子電池的陽極活性材料，通過實驗發(fā)現(xiàn)，共晶鎵銦合金納米液滴作為陽極活性材料有著良好的循環(huán)穩(wěn)定性.Ding 等[49]提出首款室溫全液態(tài)金屬電池，該電池利用Na-K 合金作負(fù)極，鎵基液態(tài)金屬合金作正極，含氟有機電解液作為電解質(zhì).由于電池負(fù)極、電解質(zhì)和正極密度各不同，在重力的作用下依次分為3 層，如圖10 所示.

圖10 室溫全液態(tài)金屬電池[49]Fig.10 Full liquid metal battery at room temperature[49]

鎵基液態(tài)金屬因其優(yōu)異的流動性、金屬性、安全性和自修復(fù)性能被應(yīng)用于電源儲能領(lǐng)域.鎵基液態(tài)金屬用作電池的主電極，液態(tài)性質(zhì)賦予電池柔性、可穿戴等特點，其自愈合能力延長電池的循環(huán)壽命，但自愈合能力有限，在提高鎵基液態(tài)金屬自愈合能力和探究自愈合機制方面還需要進一步研究.此外，鎵基液態(tài)金屬在光伏太陽能電池、發(fā)電機等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用.

4）電驅(qū)動器領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬主要依靠其高表面張力及電濕潤特性被應(yīng)用于電驅(qū)動器.哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang 等[50]研究了液態(tài)金屬鎵在堿性溶液中由電場驅(qū)動自適應(yīng)變形和加速運動，實現(xiàn)了液態(tài)金屬鎵在狹窄通道內(nèi)以117.2 mm/s 最大速度快速移動.實驗發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬鎵在堿性溶液中的移動速度隨通道寬度的減小而增大，其原因是液態(tài)金屬鎵在狹窄通道內(nèi)電濕潤效應(yīng)增大，從而引起液態(tài)金屬的表面張力梯度發(fā)生變化，即液態(tài)金屬鎵液滴朝向負(fù)極一側(cè)的表面張力大于朝向正極一側(cè)的表面張力，從而引起液態(tài)金屬鎵的加速運動.Tang 等[51]介紹了一種通過對鎵基液態(tài)金屬施加電壓來控制其在微流體網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)定向流動的方法，如圖11 所示.通過在微流體通道上下端施加不同極性電壓，改變鎵基液態(tài)金屬的浸潤性，進而改變鎵基液態(tài)金屬的表面張力，引導(dǎo)液態(tài)金屬在微流體通道內(nèi)向電壓正極方向流動.在出口端設(shè)置不同端口極性來引導(dǎo)液態(tài)金屬按特定方向流動.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)Xie 等[52]對鎵基液態(tài)金屬在電場驅(qū)動下的運動作了深入的研究，通過分析液態(tài)金屬在充滿堿性電解質(zhì)電場中的受力情況，建立液態(tài)金屬在液體通道中的動力學(xué)模型，利用高分辨率、快速響應(yīng)電流源控制堿性電解質(zhì)中的電場強度，精準(zhǔn)控制鎵基液態(tài)金屬液滴到達(dá)目的地，位置控制偏差最小僅有0.026 cm，為鎵基液態(tài)金屬在智能汽車、智能機器人方面的研究奠定了基礎(chǔ).

圖11 液態(tài)金屬定向流動[51]Fig.11 Liquid metal directional flow[51]

Liu 等[53]制備了一種由磁場驅(qū)動的可變形液態(tài)金屬微電機，將Fe3O4納米顆?；烊腈壔簯B(tài)金屬中，使鎵基液態(tài)金屬自發(fā)磁化，利用掩模板將鎵基液態(tài)金屬構(gòu)造成啞鈴狀，在橢圓極化磁場下會產(chǎn)生一種感應(yīng)磁轉(zhuǎn)矩，推動鎵基液態(tài)金屬不斷擺動向前運動，同時，微電機的形狀對推進速率也有明顯的影響，研究發(fā)現(xiàn)蝌蚪狀的鎵基液態(tài)金屬推進速度最快.為解決鎵基液態(tài)金屬電場驅(qū)動需在溶液環(huán)境中的限制，王二龍[54]提出一種將電能轉(zhuǎn)化為有效機械扭矩的液態(tài)金屬電機，采用液態(tài)金屬在電場激勵下產(chǎn)生的水平流場作為電機的動力源，該電機包括底層框架、環(huán)形水槽、電機轉(zhuǎn)子、頂層框架，如圖12 所示.環(huán)形水槽為電機轉(zhuǎn)子內(nèi)的液態(tài)金屬提供電場驅(qū)動所需的溶液環(huán)境，每個電機驅(qū)動單元腔室內(nèi)的鎵基液態(tài)金屬在石墨電極產(chǎn)生的獨立電場的激勵下會產(chǎn)生一個指向電極正極方向的驅(qū)動力，電機轉(zhuǎn)子的8 個電機驅(qū)動單元同時工作，帶動轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn).將研制出的液態(tài)金屬電機應(yīng)用于小車和船，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬電機具有強抗電磁干擾能力和良好環(huán)境適用性.但在提高液態(tài)金屬電機的輸出功率方面還需要進一步研究.

圖12 液態(tài)金屬電機結(jié)構(gòu)[54]Fig.12 Structure of liquid metal motor[54]

鎵基液態(tài)金屬由于其具有高表面張力和電濕潤效應(yīng)而應(yīng)用于電驅(qū)動器領(lǐng)域.通常是將鎵基液態(tài)金屬液滴置于堿性溶液中，對鎵基液態(tài)金屬液滴施加不同的電場，以改變其表面張力，鎵基液態(tài)金屬表面張力的變化會轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力，驅(qū)動鎵基液態(tài)金屬往提前預(yù)定好的方向移動.

5）磁流體發(fā)電領(lǐng)域

液態(tài)金屬是一種可流動的良導(dǎo)體.液態(tài)金屬磁流體發(fā)電是通過液態(tài)金屬和磁場的相互運動，將驅(qū)動液態(tài)金屬的動能轉(zhuǎn)化為電能，其基本原理如圖13所示，發(fā)電裝置由液態(tài)金屬流體通道、磁鐵、電極和外界負(fù)載組成，液態(tài)金屬切割磁場產(chǎn)生的磁感線，在兩端電極產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過負(fù)載形成回路，達(dá)到消耗電能的效果.液態(tài)金屬用于磁流體發(fā)電有著結(jié)構(gòu)簡單、易于維護等優(yōu)點.

圖13 液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機原理[55]Fig.13 Principle of liquid metal magnetofluid generator[55]

美國德克薩斯大學(xué)Cosoroaba 等[56]采用純鎵為發(fā)電工質(zhì)，設(shè)計了一套液態(tài)金屬小型磁流體發(fā)電裝置.該發(fā)電裝置包含260 mm 長的發(fā)電通道，10 對磁場，39 個等距長的電極.整個裝置處于40 ℃的熱室中，以保持發(fā)電通道內(nèi)金屬為液態(tài).通過搭建該發(fā)電裝置的多物理場仿真模型，分析不同負(fù)載和不同液態(tài)金屬流量下發(fā)電裝置的輸出電流，結(jié)果表明，隨著發(fā)電流量的增大，仿真模型與實驗結(jié)果間的誤差逐漸減小.Yamaguchi 等[57]提出采用低熔點高電導(dǎo)率的鎵銦錫液態(tài)金屬合金為發(fā)電工質(zhì)的磁流體動力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)原理如圖14 所示.實驗系統(tǒng)由3 m長的閉環(huán)液態(tài)金屬發(fā)電通道、MDG-R15 流量驅(qū)動磁鐵齒輪泵、流量計、溫度控制單元、測溫?zé)犭娕?、發(fā)電試驗段、壓力傳感器和功率輸出測量裝置組成.鎵銦錫液態(tài)金屬合金由磁鐵齒輪泵驅(qū)動，流過發(fā)電實驗段時切割兩端永磁體的磁場產(chǎn)生電能，溫度控制單元和測溫?zé)犭娕脊餐饔茫刂瓢l(fā)電通道內(nèi)鎵銦錫液態(tài)金屬合金的溫度，測量裝置測量磁流體發(fā)電機的輸出功率.實驗發(fā)現(xiàn)，磁流體動力發(fā)電機的輸出功率隨液態(tài)金屬流速、液態(tài)金屬電導(dǎo)率和永磁體所產(chǎn)生的磁場強度的增加而增加.但磁流體動力發(fā)電機的最大發(fā)電效率僅占磁鐵齒輪泵的0.25×10-6.為提高磁流體動力發(fā)電機的發(fā)電效率，Niu 等[58]通過改變鎵基液態(tài)金屬流體的流動狀態(tài)來提高雷諾數(shù)，實驗發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在湍流下的發(fā)電效率為層流下的3 倍.該團隊基于提高的液態(tài)金屬流體雷諾數(shù)，提出一種磁流體動力發(fā)電機的發(fā)電通道結(jié)構(gòu)，如圖15所示.圖中，J為電流，u為液態(tài)金屬流速.將多個磁流體發(fā)電通道連接在一起，前后每對電極通過導(dǎo)線串聯(lián)，電流只能通過一條路徑，輸出電壓是各個接點的電壓之和，輸出更大的功率，提高了發(fā)電效率.

圖14 磁流體發(fā)電實驗系統(tǒng)[57]Fig.14 Experimental system of magnetofluid power generation[57]

圖15 對角磁流體發(fā)電機模型[58]Fig.15 Model of diagonal magnetofluid generator[58]

易仁義[55]提出一種回折式發(fā)電通道結(jié)構(gòu)，如圖16所示.該通道由2 個單通道上下疊加而成，兩通道通過換向過渡段連接，通道兩端放置電極，上下兩電極保持一定距離，以確保不會互相干擾，輸出電壓為上下通道的串聯(lián)電壓.該發(fā)電通道相比于單通道在流體流通路徑上延長，且結(jié)構(gòu)緊湊，能充分利用潮流能大推力的特點，輸出更高的功率.

圖16 回折式發(fā)電通道模型[55]Fig.16 Fold-back power generation channel model[55]

劉艷嬌等[59]搭建了基于鎵基液態(tài)金屬的磁流體動力發(fā)電機仿真模型，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在發(fā)電通道內(nèi)的流速呈“M”形分布，電流密度在電極壁面處較大，減小液態(tài)金屬與電極壁面的接觸電阻可有效降低發(fā)電損耗.

液態(tài)金屬磁流體發(fā)電可應(yīng)用于潮流能發(fā)電，開發(fā)海洋內(nèi)豐富的潮流能資源，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴.但液態(tài)金屬磁流體發(fā)電的輸出功率較低，還有待進一步研究.

2.2.2 熱學(xué)領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬擁有良好的導(dǎo)熱性能，其熱導(dǎo)率高達(dá)29.3 W/(m·K)，這使得鎵基液態(tài)金屬在制備熱界面材料、材料改性及散熱冷卻等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.

1）在制備熱界面材料方面的應(yīng)用

目前，電子設(shè)備和大功率集成電路等日益朝著小型化、輕型化的方向發(fā)展.散熱問題成為制約設(shè)備發(fā)展的主要因素，采用熱界面材料提高熱導(dǎo)率是實現(xiàn)電子設(shè)備、集成電路散熱的有效途徑之一.市場上常用的熱界面材料主要由有機硅脂制成，熱導(dǎo)率約0.2 W/(m·K)，導(dǎo)熱能力受到限制.鎵基液態(tài)金屬合金自身擁有良好的導(dǎo)熱能力，在制備熱界面材料方面有著巨大的應(yīng)用潛力.2012 年，Gao 等[60]通過實驗研究鎵基液態(tài)金屬高黏附性的氧化機制，并介紹了鎵基液態(tài)金屬熱界面材料制備的方法；以純度為99%的鎵為原料，不斷攪拌氧化，制成具有很好黏附性的熱界面材料；制備的鎵基液態(tài)金屬熱界面材料在室溫下的熱導(dǎo)率約為13.07 W/(m·K)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅脂材料.2017 年，中山大學(xué)Liu 等[61]在PDMS 中加入鎵銦錫液態(tài)金屬合金和氮化鋁，制作出一種新型復(fù)合熱界面材料；通過測試，該材料的導(dǎo)熱性能要高于市面上最好的導(dǎo)熱潤滑脂產(chǎn)品之一X23-7 762，是一種理想的高性能CPU 散熱材料.2019 年，大連海事大學(xué)Ji 等[62]采用氧化法在鋁基表面制備陽極氧化鋁膜，增強兩鋁基板之間界面區(qū)域的傳熱性能，然后利用鎵銦錫液態(tài)金屬合金作為熱界面材料放置于兩鋁基板之間，與不含任何熱界面材料相比，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率提高了54 倍.牛波[63]使用室溫鎵基液態(tài)金屬為添加材料，按照一個方向?qū)⑵浞庋b在PDMS薄膜里面，進而制造出各向異性導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)柔性薄膜材料，并將該材料應(yīng)用于具有定向?qū)岬谋匦瑝|.鎵基液態(tài)金屬在用作熱界面材料時，由于熱膨脹劇烈，出現(xiàn)表面分布不均勻現(xiàn)象，溫度較高時，鎵基液態(tài)金屬甚至出現(xiàn)泵出、氧化現(xiàn)象.為防止鎵基液態(tài)金屬在用作熱界面材料過程中的泵出和氧化現(xiàn)象，2022 年，重慶大學(xué)Ma 等[64]利用氟橡膠（FKM）材料作為鎵銦錫液態(tài)金屬合金與外界環(huán)境的緩沖帶，將鎵銦錫液態(tài)金屬合金作為熱界面材料密封在氟橡膠材料制備的特殊結(jié)構(gòu)中，通過1 000 h 的高溫老化、熱沖擊、恒溫恒濕實驗發(fā)現(xiàn)，氟橡膠密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的液態(tài)金屬并未出現(xiàn)泵出和氧化現(xiàn)象.將鎵銦錫液態(tài)金屬用作CPU 的熱界面材料，CPU 滿載運行的溫度比無熱界面材料時降低47%，比導(dǎo)熱硅脂作為熱界面材料時降低14%.

鎵基液態(tài)金屬可通過攪拌氧化或添加其他導(dǎo)熱材料等方法制備成熱界面材料.鎵基液態(tài)金屬作為一種新型熱界面材料，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于硅膠、硅脂等材料，但鎵基液態(tài)金屬高電導(dǎo)率和熱膨脹劇烈等特性對外部密封材料的絕緣、柔韌等性能要求較高.

2）在材料改性方面的應(yīng)用

近年來，在鎵基液態(tài)金屬中添加其他材料顆粒以提高材料的熱導(dǎo)率逐漸成為研究熱點.例如，在鎵基液態(tài)金屬中添加銀納米顆粒、鍍鉻金剛石顆粒、銅顆粒、鎢微粒均可提高其熱導(dǎo)率，通過改變材料顆粒的大小、形狀和添加量，以獲取不同熱導(dǎo)率的鎵基液態(tài)金屬.2018 年，Lin 等[65]在鎵基液態(tài)金屬中添加銀納米顆粒，攪拌使其黏度增加，通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著銀納米顆粒的增加，合金的熱導(dǎo)率先升高后降低，當(dāng)銀納米顆粒的添加量為3%時，其合金熱導(dǎo)率最高達(dá)到46.0 W/(m·K).將摻雜銀鎵基液態(tài)金屬作為智能手機CPU 散熱熱界面材料，通過一系列評估實驗發(fā)現(xiàn)，摻雜銀鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的散熱性能更優(yōu)于商用熱硅襯墊.2019 年，Wei 等[66]采用磁控濺射的方法在金剛石顆粒表面沉積鉻過渡層，將鍍鉻金剛石顆粒添加至高純鎵中，制作了特定的3 層結(jié)構(gòu)樣品進行激光閃光分析，并推導(dǎo)相應(yīng)的理論擬合模型，測量填充了鍍鉻金剛石顆粒的鎵基熱導(dǎo)率.通過編程迭代求解發(fā)現(xiàn)，在室溫下添加47%的鍍鉻金剛石顆粒可以將高純鎵的熱導(dǎo)率從29.3 W/(m·K)提高到112.5 W/(m·K).2022 年，Zeng 等[67]通過強制濕潤的重復(fù)壓縮方法將50 um 的金剛石顆粒和碳纖維加入鎵基液態(tài)金屬中制備復(fù)合材料，以提高其熱導(dǎo)率，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入金剛石顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.50 時，鎵/金剛石二元組分復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，約87 W/(m·K)，當(dāng)加入碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.05、金剛石顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.40 時，鎵/金剛石/碳纖維三元復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，約129.0 W/(m·K).Xing 等[68]將金屬銅材料填充到鎵基液態(tài)金屬基體中，通過改變金屬銅填充劑的形狀、尺寸和用量，發(fā)現(xiàn)填充率為51%的球形杯液態(tài)金屬復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)54.2 W/(m·K).2021 年，Ki 等[69]采用無氧化物超聲輔助顆粒內(nèi)化的方法將銅納米顆粒內(nèi)化到鎵銦錫液態(tài)金屬合金中，制備出GaInSn/Cu NPs 復(fù)合材料，即將銅納米顆粒去氧化后吸附到鎵銦錫液態(tài)金屬液滴內(nèi)部，形成銅納米顆粒團簇，銅納米顆粒團簇在鎵銦錫液態(tài)金屬基體內(nèi)部形成額外的導(dǎo)熱通道，以提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率.通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.04 時，GaInSn/Cu NPs 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，為64.8 W/(m·K).2022 年，Khan 等[70]使用數(shù)值模擬仿真軟件，對比了碳納米管、氧化鋁、銅、金剛石等納米顆粒對鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管顆粒對鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率的影響最顯著，加入碳納米管顆粒的鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率比加入氧化鋁納米顆粒高12.48%，比加入銅納米顆粒高9.48%，比加入金剛石納米顆粒高8.79%.

在鎵基液態(tài)金屬中加入其他導(dǎo)熱材料可提高熱導(dǎo)率，鎵基液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率通常隨添加材料含量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；在提高材料熱導(dǎo)率的同時，也會改變材料的熔點.2019 年，Kong等[71]提出一種在保持鎵基液態(tài)金屬熔點不變的前提下提高鎵基液態(tài)金屬熱導(dǎo)率的方法，即在鎵基液態(tài)金屬中加入鎢微粒獲得液態(tài)金屬——鎢（LM-W）混合物，LM-W 混合物的熱導(dǎo)率是鎵基液態(tài)金屬的3 倍.

3）在散熱冷卻方面的應(yīng)用

鎵基液態(tài)金屬具有高熱導(dǎo)率、高熱容量、高黏度和穩(wěn)定的物理性質(zhì)，相比于傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)，具有更好的散熱能力及更高效的循環(huán)系統(tǒng).鎵基液態(tài)金屬可直接作為冷卻工質(zhì)或通過固液相變蓄能的方式用于散熱系統(tǒng).2013 年，Tawk 等[72]將鎵基液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)，設(shè)計了一種微流體通道寬度為1 mm的液態(tài)金屬散熱環(huán)路系統(tǒng).實驗發(fā)現(xiàn)在同等熱功率密度下，鎵基液態(tài)金屬的冷卻溫度要比水低60 ℃.2019 年，復(fù)旦大學(xué)李思琪等[73]將鎵銦錫液態(tài)金屬用于高功率密度LED 光源的散熱系統(tǒng)，能在LED 光源功率密度高達(dá)939.9 W/cm2時將LED 芯片結(jié)溫穩(wěn)定在80.0 ℃左右，確保LED 光源正常工作，且散熱系統(tǒng)均勻性較好，不同位置芯片的溫差較小，不超過3.5 ℃.王德輝[74]提出將鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用于電力電子器件的散熱，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，使用液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)時，熱源表面的最高溫度要比使用水冷卻系統(tǒng)低16.9 ℃，整個系統(tǒng)的熱阻下降了一半以上，但液態(tài)金屬由于其黏度和密度較高，使其無法在微小通道內(nèi)快速流動，在設(shè)計冷板時可通過增加對流換熱面積的方式充分發(fā)揮液態(tài)金屬的散熱性能.2017 年，中國電力科學(xué)院李振明等[75]建立了高熱流密度電力設(shè)備的冷卻實驗平臺，以鎵基液態(tài)金屬代替水作為冷卻工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)熱阻下降了一半以上，且鎵基液態(tài)金屬擁有優(yōu)異的對流換熱能力和導(dǎo)熱能力，未來可在高熱流密度電力設(shè)備冷卻技術(shù)中推廣應(yīng)用.2021 年，李驁等[76]采用數(shù)值模擬仿真軟件模擬將鎵基液態(tài)金屬Ga80In20作為雷達(dá)微波T/R 組件冷板的對流散熱介質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)冷卻介質(zhì)相比，相同流量下鎵基液態(tài)金屬能使冷板表面熱源的平均溫度降低約45%.

鎵基液態(tài)金屬具有熱容量大、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良特性，將鎵基液態(tài)金屬作為散熱系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)，相較于水等冷卻工質(zhì)，在同等熱功率密度的熱源下，鎵基液態(tài)金屬的冷卻溫度更低，且散熱系統(tǒng)溫度較均勻，系統(tǒng)熱阻低，但鎵基液態(tài)金屬黏度和密度較大，在微小散熱通道內(nèi)無法快速流動.因此，該方面還需要進一步研究.

固液相變蓄能材料需要具備儲能密度大、循環(huán)壽命長、相變膨脹收縮體積小等特點.鎵基液態(tài)金屬合金熔點較低，相變時體積變化小，且固液相變潛熱高達(dá)304 J/cm3,是作為固液相變蓄能的理想材料[52].但鎵基液態(tài)金屬對絕大多數(shù)金屬體系有腐蝕作用.為解決這一問題，2020 年Dobosz 等[77]提出將Ni-W 層作為防護層涂附在被冷卻的金屬表面，實驗發(fā)現(xiàn)在250 ℃以下時，Ni-W 層可以有效抑制鎵基液態(tài)金屬的腐蝕.2016 年，程勇等[78]將鎵基液態(tài)金屬相變材料應(yīng)用于二極管抽運激光器，通過實驗發(fā)現(xiàn)，與體積更大的風(fēng)冷肋片散熱器相比，鎵基液態(tài)金屬作為相變材料可使激光器在55 ℃環(huán)境下工作時長提高6 倍，制冷功耗減小到46%，散熱系統(tǒng)體積減小一半，且激光器的插頭效率提高近0.5%.Ge等[79]將低熔點鎵基液態(tài)金屬合金作為相變材料應(yīng)用于電子器件散熱領(lǐng)域，利用鎵基液態(tài)金屬材料的蓄冷及固液相變吸熱機理，吸收手機在高負(fù)荷運行過程中所產(chǎn)生的熱量，使手機溫度維持在30 ℃左右十余分鐘.一旦手機處于待機狀態(tài)時，鎵基液態(tài)金屬合金通過向環(huán)境釋放熱量而發(fā)生凝固，為下一次吸熱做好準(zhǔn)備，其基本原理如圖17 所示.加熱器由直流電源供電，模仿手機CPU 產(chǎn)熱，容器內(nèi)填充鎵基液態(tài)金屬，加熱器與容器通過導(dǎo)熱脂連接.在容器表面安裝熱電偶，實時測量容器溫度.研究人員還發(fā)現(xiàn)，將SiO2加入到液態(tài)金屬鎵中可以顯著降低材料的過冷度，有利于材料從液態(tài)恢復(fù)到固態(tài).為抑制鎵基液態(tài)金屬作為相變材料時出現(xiàn)過冷和泄漏現(xiàn)象，Zheng等[80]在液態(tài)金屬鎵中加入β-Ga2O3顆粒，制備出膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料.與純鎵液態(tài)金屬相變材料相比，膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料的過冷度更低、抗泄漏能力更強.通過調(diào)整β-Ga2O3顆粒的加入量可改變膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、相變潛熱、界面熱阻、過冷度等熱力學(xué)參數(shù).

圖17 智能手機散熱原理[79]Fig.17 Principle of smartphone cooling[79]

鎵基液態(tài)金屬熔點低，發(fā)生相變時，體積變化小，且相變潛熱大.鎵基液態(tài)金屬作為散熱系統(tǒng)的相變材料能吸收高負(fù)荷熱源產(chǎn)生的熱量，且長時間維持在某一特定溫度，但鎵基液態(tài)金屬過冷度較大，冷卻凝固的溫度遠(yuǎn)低于其熔點，在鎵基液態(tài)金屬中添加其他材料降低其過冷度還需進一步研究.

2.2.3 摩擦領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬合金具有較高的熱導(dǎo)率和熱容量，可快速消散摩擦過程中所產(chǎn)生的熱量，其密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)潤滑劑，且具有高表面張力、高分解溫度、高電導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低磨損率、不易蒸發(fā)和不易泄漏等優(yōu)良特性，在摩擦領(lǐng)域主要應(yīng)用于載流潤滑劑、極壓潤滑劑和潤滑添加劑等.

1）鎵基液態(tài)金屬用作載流潤滑劑

載流潤滑劑是一種兼顧在摩擦界面潤滑和導(dǎo)電的工程材料，傳統(tǒng)潤滑油脂不導(dǎo)電，離子液體電導(dǎo)率較低，無法滿足大多數(shù)載流工況下的要求.西北工業(yè)大學(xué)Guo 等[81]通過實驗發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)金屬合金可作為載流潤滑劑，與無電流相比，施加電流可以使接觸面磨損降低到56%，且鎵基液態(tài)金屬合金優(yōu)異的潤滑性是通過在摩擦界面生成的富鎵膜來實現(xiàn)的.Burton 等[82]將鎵基液態(tài)金屬用作載流潤滑劑，實驗發(fā)現(xiàn)在電流密度超過 1 .5×106A/m2的情況下，鎵銦錫液態(tài)金屬合金能有效潤滑銅/銅或銅/鉻配副.

2）不同環(huán)境氣氛下鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

鎵基液態(tài)金屬合金的潤滑性能與其所處的環(huán)境氣氛相關(guān).在有氧環(huán)境中形成的氧化薄膜會影響其潤滑性能.清華大學(xué)Bai 等[83]通過旋轉(zhuǎn)球-盤接觸實驗，探究了鎵基液態(tài)金屬用作軸承鋼摩擦副潤滑劑時，在氮氣、氧氣和空氣環(huán)境下的摩擦磨損性能.研究表明，在氧氣和空氣的環(huán)境下，鎵基液態(tài)金屬合金的摩擦系數(shù)和磨損率均低于氮氣環(huán)境.這是由于在有氧環(huán)境中，合金表面形成了氧化膜，從而使合金由液體逐漸轉(zhuǎn)化為膏狀，膏狀合金易于黏附到摩擦接觸區(qū)域，從而降低摩擦系數(shù)和磨損率.

3）不同摩擦副下鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

鎵基液態(tài)金屬對不同摩擦副材料所表現(xiàn)出的潤滑性能也各有差異.Buckley 等[84]將富鎵薄膜涂覆在不同合金表面，在直徑為0.5 m 的圓盤上測定了不同合金在空氣和真空中的摩擦磨損特性.研究表明，鎵膜并不是對所有合金都具有潤滑作用，鎵膜可以減小52100 和440-C 不銹鋼的摩擦磨損，卻不能有效潤滑鎳基合金和鈷基合金.程軍等[85]在SRV-IV型磨損試驗機上分別研究了共晶鎵銦合金和鎵銦錫合金與摩擦副材料之間的關(guān)系，實驗結(jié)果表明，鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能與摩擦副配材料的選擇緊密相關(guān)，采用鋼/陶瓷副配時，鎵基液態(tài)金屬表現(xiàn)出良好的潤滑性能，采用陶瓷/陶瓷副配時，鎵基液態(tài)金屬對其幾乎沒有潤滑作用，且三元組分的鎵銦錫合金潤滑效果明顯優(yōu)于二元組分的共晶鎵銦合金.

4）鎵基液態(tài)金屬用作極壓潤滑劑

鎵基液態(tài)金屬具有很高的熱導(dǎo)率，比一般的有機潤滑劑高出2 個數(shù)量級[86].超高的熱導(dǎo)率使鎵基液態(tài)金屬在極端壓力下能快速消散摩擦所帶來的大量熱，減小摩擦磨損.Li 等[87]將鎵基液態(tài)金屬合金作為極壓潤滑劑，通過標(biāo)準(zhǔn)四球測試，發(fā)現(xiàn)使用鎵基液態(tài)金屬潤滑的鋼球可在10 kN 的負(fù)荷下實現(xiàn)長期平穩(wěn)運行，大大超越傳統(tǒng)潤滑油的載荷能力，其超極壓潤滑能力是由合金的高熱導(dǎo)率和FeGa3摩擦膜低摩擦系數(shù)共同作用實現(xiàn)的.Yang 等[88]將鎵基液態(tài)金屬作為鋼-陶瓷滑動副極壓潤滑劑，研究發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)僅為0.11～0.23，且鎵銦錫合金的潤滑性和承載能力明顯高于共晶鎵銦合金.

5）鎵基液態(tài)金屬改善潤滑劑性能

鎵基液態(tài)金屬具有優(yōu)異的潤滑性能，不僅自身可作為良好的潤滑劑，還可作為潤滑添加劑提高其他潤滑劑的潤滑性能.He 等[89]提出了制備二烷基二硫代磷酸鹽（DDP）功能化鎵基液態(tài)金屬納米液滴的方法，通過實驗發(fā)現(xiàn)，DDP 功能化鎵基液態(tài)金屬可作為潤滑添加劑，降低潤滑油的摩擦和磨損.將鎵基液態(tài)金屬按不同的比例加入到潤滑脂中，機械攪拌至均勻混合，通過實驗發(fā)現(xiàn)，在潤滑脂中加入鎵基液態(tài)金屬可有效提高潤滑脂的極壓能力，當(dāng)鎵基液態(tài)金屬與特定的商用潤滑脂質(zhì)量比達(dá)到1∶1 時，焊縫載荷超過10 kN，為潤滑脂的最大值[12].西安交通大學(xué)Li 等[90]將共晶鎵銦合金注入銅基底表面，通過電化學(xué)反應(yīng)制備CuGa2薄膜，實驗測試發(fā)現(xiàn)，鍍有CuGa2膜的銅基體摩擦系數(shù)降低43%，磨損率降低72%.鎵基液態(tài)金屬的氧化性和不穩(wěn)定性限制了其在潤滑領(lǐng)域的實際應(yīng)用，為解決這一問題，Li 等[91]采用球磨法制備了殼聚糖包裹的納米金屬液滴（NLMWC）作為水基潤滑劑添加劑，摩擦實驗表明，在水中添加NLMWC 后，其摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了40%和69%.He 等[92]將小分子多巴胺正丁烯酰胺（DBA）自組裝到鎵基液態(tài)金屬納米液滴上，隨后通過表面引發(fā)自由基聚合法引入乙烯基反應(yīng)位點，將聚2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿（PMPC）接枝到鎵基液態(tài)金屬納米液滴上，得到PMPC-GLM 微凝膠.PMPCGLM 微凝膠具有顯著的抗菌性能，將其作為水性潤滑劑添加劑可使水的摩擦系數(shù)和磨損率分別降低65%和62%，在水性潤滑劑工作2 個月后，其摩擦性能基本不發(fā)生變化，PMPC-GLM 微凝膠可應(yīng)用到生物潤滑.

6）提高鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

為提高鎵基液態(tài)金屬合金的潤滑能力，國內(nèi)外科研人員嘗試將具有良好潤滑性能的材料加入到鎵基液態(tài)金屬中，以提高其潤滑能力.Li 等[93]將具有良好潤滑性能的六方氮化硼加入到鎵基液態(tài)金屬合金中，摩擦實驗表明，添加六方氮化硼后的鎵基液態(tài)金屬合金具有更好的摩擦學(xué)性能，降低了合金的摩擦系數(shù)和磨損率.Ma 等[94]通過機械削磨法制備摻銀鎵基液態(tài)金屬合金，并通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)銀的含量為1%時，鎵基液態(tài)金屬平均摩擦系數(shù)下降到0.32.對摩擦副材料表面進行激光織構(gòu)，可以顯著提高鎵基液態(tài)金屬對摩擦副材料的潤滑效果.Li 等[95]提出了激光表面織構(gòu)技術(shù)處理摩擦副材料表面，以提高鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能，對潤滑材料表面使用納秒激光進行燒蝕，制備表面織構(gòu)面積占比不同的軸承鋼盤.在往復(fù)滑動摩擦磨損試驗機上測試鎵基液態(tài)金屬對不同織構(gòu)比的AISI 52100 剛自配副的潤滑效果，結(jié)果表明，對鋼盤進行表面織構(gòu)能提高鎵基液態(tài)金屬對鋼盤的潤滑性能，且織構(gòu)比為15%時，鎵基液態(tài)金屬對鋼盤的潤滑性能最佳.

3 鎵基液態(tài)金屬的發(fā)展展望

目前，鎵基液態(tài)金屬合金的研究主要集中在電子設(shè)備、芯片散熱、摩擦潤滑等領(lǐng)域，隨著時代發(fā)展，液態(tài)金屬合金在新型電子器件、新能源、國防建設(shè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.

1）隨著超大規(guī)模集成電路和電子設(shè)備的快速發(fā)展，散熱成為影響設(shè)備性能和壽命的主要問題.在改變合金的性能方面，通過改變鎵基液態(tài)金屬合金材料配比或添加其他純金屬材料制備出新型鎵基液態(tài)金屬合金，使得合金在熱導(dǎo)率和流動性等方面有所提高.將該合金用于熱界面材料或冷卻劑，從而解決設(shè)備的散熱問題.

2）隨著高壓電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，其對高壓直流斷路系統(tǒng)的要求也會隨之提高.高壓直流斷路器件需要在十幾毫秒內(nèi)耗散百兆焦以上的巨大能量，現(xiàn)有的高壓直流開斷器件是通過不斷增加氧化鋅壓敏電阻的數(shù)量來消耗更大的系統(tǒng)能量.鎵基液態(tài)金屬在發(fā)生相變汽化的過程中會吸收大量能量，其耗能功率密度遠(yuǎn)高于氧化鋅壓敏電阻耗能功率密度，因此，可以利用鎵基液態(tài)金屬合金設(shè)計一種新型耗能器件，與氧化鋅壓敏電阻配合使用，促進高壓直流開斷系統(tǒng)小型化、輕型化.

3）隨著能源需求的增長以及化石能源帶來的環(huán)境破壞，解決全球能源危機已經(jīng)迫在眉睫.有效利用太陽能是實現(xiàn)能源可持續(xù)利用的解決方案之一.鎵基液態(tài)金屬合金已被廣泛利用于可充電電池，但在制造太陽能電池這一領(lǐng)域缺乏研究.將鎂金屬加入到共晶鎵銦合金中可提高材料61.5%的光熱轉(zhuǎn)化率，因此，可利用摻雜鎂金屬的鎵基液態(tài)金屬合金作為光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于太陽能電池，提高太陽能電池工作效率.

4）高速滑動電接觸技術(shù)廣泛應(yīng)用于軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)、國防領(lǐng)域電磁彈射系統(tǒng)等.但其電接觸的潤滑材料是限制其發(fā)展的因素之一.鎵基液態(tài)金屬擁有低熔點、良好的流動性、高電導(dǎo)率等諸多優(yōu)良特性.將鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用于高速滑動電接觸技術(shù)可有效增大電接觸界面接觸面積，減緩接觸界面機械摩擦，提高摩擦副服役壽命.

4 結(jié)束語

1）鎵基液態(tài)金屬因其良好的導(dǎo)電性和流動性而廣泛應(yīng)用于電學(xué)內(nèi)諸多領(lǐng)域.在故障限流器領(lǐng)域因其自收縮效應(yīng)能迅速降低短路電流幅值，在柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域因其不定型、流動性等特性應(yīng)用于柔性導(dǎo)線、微流體通道、3D 打印等.在電源儲能領(lǐng)域，因其自恢復(fù)、低熔點等特性而應(yīng)用于提高電池使用壽命、制備室溫全液態(tài)金屬電池等.在電驅(qū)動器領(lǐng)域，因其高表面張力、電濕潤特性將電能轉(zhuǎn)化驅(qū)動力.在磁流體發(fā)電領(lǐng)域依靠其流體和金屬特性將動能轉(zhuǎn)化為電能.

2）鎵基液態(tài)金屬因其較高的熱導(dǎo)率而在熱學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.利用鎵基液態(tài)金屬制備成的熱界面材料，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱界面材料，在其中摻雜其他材料可改變其熱導(dǎo)率.此外，還可利用鎵基液態(tài)金屬固液相變吸熱機理將其應(yīng)用于高功率密度電力設(shè)備和電子產(chǎn)品的散熱系統(tǒng).

3）鎵基液態(tài)金屬由于其高合金密度、表面張力而應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域.鎵基液態(tài)金屬優(yōu)異的潤滑性能是因為其用作潤滑劑時在摩擦界面會生成一層富鎵薄膜，且鎵基液態(tài)金屬分解溫度高，導(dǎo)電性好，具有較好的冷卻特性，可快速消散摩擦過程中產(chǎn)生的熱量.在極壓潤滑、載流摩擦等方面具有較廣闊的應(yīng)用前景.

4）鎵基液態(tài)金屬在材料改性、大功率能量耗散器件制造、太陽能電池研制和高速滑動電接觸潤滑劑等方面的研究較少.因此，未來鎵基液態(tài)金屬的研究應(yīng)圍繞材料特性展開，提高其能量耗散密度、光熱轉(zhuǎn)化率和導(dǎo)熱導(dǎo)電系數(shù)，將其運用到軌道交通、國防軍事等各個領(lǐng)域.