多孔液态金属材料产业链的下游市场分析

此方面涉及多孔液态金属产品及技术。多孔液态金属材料主要特性表现在六个方面（图2.6）：热物性能、力学性能、能量吸收性能、声学性能、电磁波屏蔽性能、渗透性能。针对不同的性能优势可设计功能各异的多孔液态金属产品及提供相应的技术服务。

图2.6　多孔液态金属材料主要特性

（1）多孔液态金属热物性能应用

多孔液态金属材料的导热系数介于隔热材料与金属材料之间，且随孔隙率增加而减小。当热量流经开孔多孔液态金属时，其较大的比表面积使散布在其中的流体产生复杂的三维流动，从而具有较高的散热能力；当温度高于液态金属熔点时，多孔液态金属材料还可以发生相变，进一步吸收热量，抵抗热冲击。利用多孔液态金属优异的热物性能，可制备多孔液态金属对流热管理装置、多孔液态金属相变热管理装置、多孔液态金属阻燃器等。

多孔液态金属对流热管理装置。实现对流换热与液态金属相变控温一体化，应用于长时间热控、高频短时热冲击同时共存场合。主要分为以下几类：①风冷多孔液态金属散热器。利用多孔液态金属材料制成的风冷散热器，自身网眼的特点可以让空气自由穿过，多孔材料比表面积大，可以实现快速散热，同时利用液态金属自身低熔点的特性，当温度高于其熔点时多孔液态金属材料发生相变吸收热量，进一步抵抗热冲击；②水冷多孔液态金属散热器。水作为流动换热介质，在多孔液态金属内部流动，利用多孔材料比表面积大、热导率较高，以及水成本低、比热容大等优势，迅速带走热量，该装置在大型太阳能发电芯片热管理、塔式太阳能发电系统具有独特的应用价值，可以有效应对由于天气变化造成的瞬时高热流冲击；③喷淋多孔液态金属散热器。将喷淋冷却过程中的蒸发相变与多孔液态金属相变热管理相结合，实现元器件的高效热管理；④液态金属—多孔液态金属复合散热器。以室温呈现液态的低熔点液态金属为冷却介质，如镓及镓基合金，将液态金属对流热管理技术与多孔液态金属相变热管理技术相结合，有效应对超高热流密度器件的散热需求。

多孔液态金属相变管理装置。以多孔液态金属如铋及铋基合金为多孔骨架，在内部填充其他无机PCM、有机PCM、复合PCM，应用于抵抗阶跃式热冲击。如前所述，液态金属相变材料导热性能良好、但密度较大，而非金属类相变材料密度较小，但导热性能较差，将多孔液态金属相变材料与其他相变材料相结合，可实现不同相变材料的优势互补，在保障相变模块高效热管理的同时实现相变模块的轻量化，可为已有纯液态金属相变装置轻量化提供思路。此外，由于此类多孔液态金属复合相变材料的组合方式丰富多样，可针对不同场合的散热需求进行定制化产品制作，其具有广泛的市场应用前景。如制作以下产品：①无机PCM多孔柔性液态金属复合相变装置；②无机PCM多孔刚性液态金属复合相变装置；③有机PCM多孔柔性液态金属复合相变装置；④有机PCM多孔刚性液态金属复合相变装置；⑤复合PCM多孔柔性液态金属复合相变装置；⑥复合PCM多孔刚性液态金属复合相变装置。

（2）多孔液态金属力学性能应用

多孔液态金属作为结构材料，具有质轻、较高比强度和高比表面积、高效热管理等特点，在航空、航天领域应用中表现出极大的优越性。对于交通运输工具，质量的减轻，无疑将大大节省动力能源，这不仅有助于提高续航飞行器的续航能力，而且可降低燃油消耗时有害气体的排放，减少环境污染。因此，将多孔液态金属材料应用于交通运输工具可解决其轻量化需求的痛点。将多孔液态金属材料应用于飞机机翼复合材料的芯片，亦可作为加热器、换热器和电池极板的优良材料。

（3）多孔液态金属能量吸收性能应用

多孔液态金属材料在交变应力作用下发生振动时，会造成内部的应力应变分布不均匀，引起孔洞发生膨胀（缩小）和扭曲，产生膨胀能和畸变能，使能量损失，因此多孔液态金属可表现出良好的能量阻尼特性。多孔液态金属材料应用于汽车工业，利用其吸能性能可以使汽车火车在碰撞中的变形得到控制，有效降低交通事故对乘客的创造伤害；应用多孔液态金属材料吸收能量的特性可制备防爆服。多孔液态金属能量吸收性能应用的潜在方向，如图2.7所示。

图2.7　多孔液态金属能量吸收性能应用潜在方向

（a）汽车碰撞过程吸能；（b）制备防爆服(www.xing528.com)

（4）多孔液态金属声学性能应用

将低熔点液态金属与气体的共凝，制备闭孔的多孔液态金属吸声器、消音器。由于闭孔多孔液态金属材料内部储藏大量气体，当材料接收到声波时，孔内气体振动，气体射向孔壁表面，因漫射而产生干涉消音；另外，孔内气体在摩擦和黏滞力的作用下，使声能转化为热能进而起到衰减声波的效果。利用多孔液态金属材料消音、吸声的能力，可将其广泛应用于噪音源的隔离材料，如用在潜水艇内的隔墙，起到吸声、防声呐跟踪的效果（图2.8）。

图2.8　多孔液态金属声学性能潜在应用潜水艇吸声、防声呐跟踪

（5）吸波型多孔液态金属电磁屏蔽性能应用

多孔金属材料对电磁波具有优良的屏蔽作用，电磁场通过多孔金属材料时产生感应电势而形成感应涡流，与原磁场反向的涡流磁场产生抵消作用，起到电磁屏蔽效果，屏蔽作用远高于导电性涂料及导电性材料。特别是对高频电磁波屏蔽效果更好。将液态金属材料自身的屏蔽性能与多孔孔隙屏蔽有效结合，用于制备多孔液态金属电磁屏蔽器、滤波窗、电磁屏蔽室、多孔液态金属电磁兼容器等。

（6）多孔液态金属渗透性能应用

开孔多孔液态金属材料具有优良的渗透性，且渗透性随孔隙率、两端压力差的增大而增加。调节多孔液态金属孔隙结构，如孔隙率、孔径、开孔度，可获得不同透过性的多孔金属，可应用于制备以下产品：①多孔液态金属催化剂、多孔液态金属催化剂载体。充分利用多孔液态金属材料比表面积大的特性，增加催化剂的接触面积，如以镓为催化剂，催化铝水反应，提高产氢速率，催化产氢制备清洁能源。除渗透性能外，利用多孔液态金属良好的导热性为催化剂提供合适的催化温度。②多孔液态金属分子筛。利用多孔液态金属的孔道对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用。③多孔液态金属过滤器、多孔液态金属吸附器，利用多孔液态金属材料的渗透性制成分子筛、高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。④多孔液态金属生物医学植入体。利用多孔液态金属与人体的生物相容性，作为人体骨骼或牙齿的替代材料，植入人体或动物体内，其开孔特性可供血液、营养液流过。

（7）多孔液态金属医学应用

将多孔液态金属材料制备成外骨骼，利用液态金属低熔点的特性，可在室温下实现外骨骼的刚柔性间快速转变。将多孔液态金属材料封装在生物相容性材料内，制备多孔液态金属软组织，可供营养液、血液流过，具备一定韧性。多孔液态金属材料生物相容性好，可回收，比表面积大，可用于吸附药物分子以及药物传送。

（8）多孔液态金属材料回收再利用

建立完备的多孔液态金属回收体系是构建多孔液态金属生态产业的必要环节，同时也是多孔液态金属在各领域得以推广并实现可持续发展的重要保障。回收的多孔液态金属材料，经去除杂质、粗炼、提纯等工序后，重新作为液态金属原材料，从产业链上游输入进行再利用。

多孔液态金属材料作为一类新型多功能材料，目前有关的研究仍然较少，其产业化应用仍处于空白，但其在热物性能、力学性能、能量吸收性能、声学性能、电磁波屏蔽性能、渗透性能等方面表现出的优异材料属性以及卓越的功能特性，必将使其在国民经济、国防军事等领域得到大规模推广应用。从技术角度分析，目前，多孔液态金属产业链的构建环节中，多孔液态金属的制备仍是核心，若能打通这一关键环节，将极大地推动多孔液态金属产业化的发展。基于此，在借鉴传统多孔金属材料的制备工艺的基础上，中科院理化所团队充分利用液态金属低熔点的特性，提出采用3D打印制备多孔液态金属材料的增材制造技术，该技术具备制备方法高效、能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可调等优势，便于根据功能需求实现多孔液态金属材料的定制化制造。同时，该技术也为多孔金属材料的制备提供了新的思路与突破口，将有效地促进多孔金属材料增材制造产业的发展，具有重要应用前景和推广价值。