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液態金屬的意義與作用

來源:    作者:    發布時間:2019-04-08    瀏覽量:1620

所謂液態金屬,即不定型金屬,也稱非晶合金或金屬玻璃,可將其看作由正離子流體與自由電子氣組成的混合物。它擁有獨特的原子結構,排列無序。它是金屬但卻擁有流動的特質,它很輕但卻極為強硬,同時具有高彈性。它還能一次成型,免去加工的繁瑣程序。

液態金屬的意義與作用

液態金屬具有極為優越的性能。其強度為不銹鋼的3倍,鋁、鎂合金的10倍以上,鈦合金的1.5倍以上,就算是在輕合金中,液態金屬的單位密度強度也是最高的。液態金屬的安全使用強度為1500Mpa,彈性應變能量可達到19Mj/m2,而最好的彈簧鋼的彈性應變能量也僅能達到2.2Mj/m2。

在硬度上的優勢,使得液態金屬在耐磨或抗劃痕的領域能夠得到廣泛的應用。良好的彈性能夠滿足其他金屬不能滿足的某些特定領域。比如在壓力下彎曲,但要求不能變形的醫療設備,或是能夠反復彎曲,還不能出現塑性變形和硬化的壓力傳感器。

在精度方面,液態金屬成型的產品可以和機器加工產品的工藝一爭高下,并且沒有附加成本與廢棄材料。在抗腐蝕性能方面,液態金屬合金也展現出了超常的能力,尤其在工業應用中能發揮更大的作用,如食品加工、醫療設備、戶外運動設備、航海產品等方面。

對于其他金屬而言,如果不做拋光、研磨等二次加工,是無法達到這種精度的,而在許多領域,金屬的反光性能是極為重要的,液態金屬合金的光潔度就能夠達到高光反射的效果,而且還能進行拋光,還不必犧牲其他的性能。

此外,液態金屬合金屬于無磁性材料,而且與其他磁性物體接觸也不會沾染任何磁性。因此可應用于核磁共振設備的組件,電磁開關的外殼,或是高射頻功率領域。

綜上所述,液態金屬不僅具備優質功能,還能以注塑方式成型,使得設計者有了更大的發揮空間。此外,其一次性凈成型的特質也在很大程度上節省了加工成本,最大限度地提升了效率。液態金屬擁有的眾多優勢,使其擁有極為廣闊的應用空間,在環保、醫療、智能硬件、AI、航空航天等領域都能夠發揮極大的作用。

液態金屬與玻璃

提到液態金屬,第一反應可能就是《終結者2》當中的液態金屬機器人,它可以幻化成任何形狀,能夠承受各種破壞,更神奇的是它還充滿只能。問題是液態金屬真有這個能耐嗎,它離現實生活究竟有多遠。

也許不遠的將來,在手機外殼的材質上,我們將首先與液態金屬有個“親密接觸”。

早在去年iPhone5尚未面世的時候,坊間就流傳著蘋果將會在下一代產品中拋棄鋼化玻璃,轉而采用液態金屬外殼。雖然最終答案并非如人所愿,但是期待卻絲毫沒有降低。

2013年,當美國專利及商標局授予蘋果子公司Crucible一項用于量產液態金屬薄片的技術專利;而蘋果的競爭對手HTC和中國臺灣當地的外殼制造商杰邦國際達成了合作,且從日本捐募了一個研發團隊,著力液態金屬手機開發,人們相信未來的手機一定會穿上這“磨不壞,壓不扁”的金剛戰衣。

上世紀60年代人們首次在實驗室成功制備這種金屬,當時就被它與眾不同卻無與倫比的特性所吸引:高強度、高柔韌性且可以和玻璃一樣不需要二次打磨,可以一次性成型各種復雜形狀……因此,業界更喜歡將它稱作“金屬玻璃”,或者學名:非晶態金屬。

不過,要大規模地制備這種“未來材料”卻并非易事。從第一代幾納米厚,到現存25毫米厚,人們探索了半個世紀。

目前,金屬玻璃在實際使用當中,雖然范圍有限,可是已經有很多廠商對這塊“蛋糕”躍躍欲試。Liquidmetal Technologies是全球第一家專門生產大塊非品合金的公司。這個成立于1987年的公司被認為是較為權威的國際非品科技研究組織,他們的產品已經應用在例如體育運動、電子產品和醫藥等諸多領域。

而現存蘋果取得了他們這項新型金屬科技的獨家使用權(主要是外殼和附件制造),Liquidmetal希望蘋果能在一款突破性產品上使用液態金屬,為人們帶來革命性的用戶界面和工業設計,并日很難被其他材料所復制和模仿。

液態金屬機器

2015年3月3日,由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,于世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質后以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動,從而為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。這種液態金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統,從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。

研究揭示,置于電解液中的鎵基液態合金可通過“攝人”鋁作為食物或燃料提供能量,實現高速、高效的長時運轉,一小片鋁即可驅動直徑約5mm的液態金屬球實現長達1h以上的持續運動,速度高達5cm/s。

這種柔性機器既可在自由空間運動,又能于各種結構槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是,它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整,遇到拐彎時則有所停頓,好似略作思索后繼續行進,整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。

應該說,液態金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主運動,可變形,具備一定代謝功能(化學反應).因此研究者將其命名為液態金屬軟體動物。

目前,實驗室根據上述原理已能制成不同大小的液態金屬機器,尺度從數十微米到數厘米,且可在不同電解液環境如堿性、酸性乃至中性溶液中運動、試驗和理論分析表明,此種自主型液態金屬機器的動力機制來自兩方面:一是發生在液態合金、金屬燃料及電解液間的Calvanic電池效應會形成內生電場,從而誘發液態金屬表面的高表面張力發生不對稱響應,繼而對易于變形的液態金屬機器造成強大推力;與此同時,上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為,這種能量轉換機制對于發展特殊形態的能源動力系統也具重要啟示意義。

在迄今所發展的各種柔性機器中,自主型液態金屬機器所表現出的變形能力、運轉速度與壽命水平等均較為罕見,這為其平添了諸多重要用途。作為具體應用器件之一,還特別展示了首個尤需外界電力的液態金屬泵,通過將其限定于閥座內,可達到自行旋轉并泵送流體的目的,據此可快速制造出大量微泵,滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等,成本極低;若將此類柔型泵用作降溫,還可實現高度集成化的微芯片冷卻器;進一步的應用可發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智能機器等。

自驅動液態金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念,將顯著提速柔性智能機器的研制進程。當前,全球圍繞先進機器人的研發活動正處于如火如荼的階段,若能充分發揮液態金屬所展示出的各種巨大潛力,并結合相關技術,將引發諸多超越傳統的機器變革。


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