液态金属和复合材料的应用与发展

液态金属是指呈液体状态的金属或合金，而在室温下呈液态的金属单质只有汞（Hg）、铯（Cs）和镓（Ga）。Hg是一种常见的液态金属，熔点仅为-38.8 ℃，其蒸汽压较高，在常温下易挥发产生汞蒸汽，汞蒸汽有剧毒，因而严重限制了其使用范围。熔点较低的金属单质Cs（熔点为28.65℃）和Ga（熔点为29.77 ℃）中，Cs是一种碱金属，其化学性质活泼，遇水会发生剧烈反应，放出H2易爆炸，因而其使用也非常受限；Ga熔点低且沸点很高（达2204 ℃），在空气中比较稳定，蒸汽压很低。液态Ga的低蒸汽压与宽温度范围的特点使其应用范围日益广泛，相应的研究也越来越多。基于镓的合金材料，如镓铟合金、镓铟锡合金等，熔点会比单一成分的金属单质更低，因而可用于制备室温下呈液态的系列合金，并加以研究和利用。表2.1列出了几种典型液态金属材料的基本物性参数。

表2.1　几种典型液态金属材料的基本物性参数

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常用的镓基液态金属主要有金属单质镓Ga，镓铟合金Ga90In10、Ga75.5In24.5与Ga75In25（简称EGaIn），镓铟锡合金Ga68.5In21.5Sn10（简称EGaInSn）等。不同的配比会在一定程度上影响液态金属的熔点，但其他物理性质差异不大。这一类液态金属有许多独特的特性，如室温下黏度小，表面张力大，导电导热性能好，蒸汽压极低且无毒等。目前，对液态金属的研究主要集中在其基础性质与实际应用两大方面。基础性质方面的相关研究主要集中在液态金属表面的相关性质及其与溶液相互作用后的行为。实际应用方面的研究主要围绕液态金属的液体属性、高导热性与高导电性展开。利用其热导率高的特性，液态金属可用于散热以及能量传输。利用液态金属的柔性特点，液态金属可用于构造带阻滤波器、忆阻器、光阀或泵等柔性器件，而其高导电性使之用于直写电路或自修复电路方面有着极大的优势，大大简化了电路制作过程，与传统固态电路相比更具灵活性。液态金属用于制备新型柔性电极，尤其是高过氢电位使之制备用于溶液中的电极更有优势。液态金属材料结合柔性材料如PDMS，被广泛用于可拉伸电子的研究中。而当结合其表面氧化物的相关特性时，可被塑形用于印刷电子或3D打印。此外，根据其液态特性可将液态金属用于制备新型温度计，代替传统的高毒性水银温度计。

液态金属产业链上游以各种金属单质的冶炼为主，包括镓、铟、锡、铋、锌、汞、镓、钠等金属；中游涉及各种液态金属材料/产品，主要以镓基合金、铋基合金和汞基合金三种合金为主；下游为液态金属及其复合材料在不同领域中的应用，主要集中在先进制造、热控及能源等领域。本报告主要针对此类产业链划分方式展开相关探讨。