表面包裹膜下金属液滴在基底上的撞击现象

常温液态金属的高热导率、导电性和良好的可变形性使得这种金属具有相当广泛的应用价值。虽然镓基合金有许多可取的性能，但其表面在大气环境中通常立即氧化并形成一个薄的氧化层。这层氧化物可以轻松地黏附在任何固体表面，从而导致流动性的失效。为了防止液态金属黏附到周围环境，并保持灵活的可变形性，Sivan等通过用纳米级疏水粉末封装液态金属液滴，展示了一种液态金属弹珠（liquid metal marble）［8］。相比于传统的液体弹珠，这种液态金属弹珠具有许多非凡的物理特性和电子功能。图6.8对比了金属液滴与液态金属弹珠撞击固体表面的过程。由于表面的纳米颗粒涂层，液态金属弹珠表现得像一个柔软的固体，失去其变形性和流动性。

图6.8　镓合金液滴（a）与WO3（b）包裹的镓合金液态金属弹珠分别从25 mm高度下落至硅片表面的连续摄影［8］

图像之间时间间隔为1.875 ms。c.最后三帧的放大图。

通过将液态金属液滴包裹在水及水溶液的液滴中，Ding等提出了一种液态金属双流体液滴［9］。与现有的液体弹珠相比，双流体液滴呈现出鲜明的特征，如：无氧化物层，变形能力强，流动性高，易于制备且成本低。

图6.9a和图6.9b分别展示了金属液滴带有或不带水层时撞击基底的示意［9］。当镓合金表面暴露在大气中时，易形成氧化层，能防止内部进一步氧化。报道称，在大气环境条件下的液滴表面张力约为0.624 N/m，而在无氧环境中的表面张力为0.435 N/m。这样的物理性质差异使得液态金属会显示出一些独特的行为如变形或运动。制备双流体液滴的工艺可为：首先将一个直径4.77 mm的水滴挂在一个不锈钢点胶针头上；然后液态金属被缓缓泵入水滴直到液滴开始下落。其结果是，金属液滴完全被封装在水中。由于隔绝了空气，从而避免了金属表面的氧化。

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图6.9　不同条件下液态金属液滴的展示与制备［9］

a.空气中氧化层覆盖的金属液滴；b.包裹了水层的液态金属双流体液滴。

图6.10对比了金属液滴与双流体液滴的撞击特性［9］。利用高速摄影机以3 000帧/秒连续拍摄了液滴撞击的动态过程。图6.10a、c显示在金属液滴尾部出现了一条“尾巴”，这是氧化层的作用引起的。根据液滴直径随时间的变化，金属液滴在测试表面上的动态变化过程分为初始、铺展、收缩和振荡阶段。双流体液滴随时间的变形过程如图6.10b、d所示。很显然，水层的存在影响了金属液滴的运动。液滴在空气中下落时形成球形，而没有“尾巴”。在初始阶段，水层首先接触钢板表面，这相当于降低了不锈钢板的粗糙度，甚至隔绝了液态金属与钢板。水层也导致了液滴边缘指状凸起数量和大小的变化。在铺展阶段，指状凸起形成较早，成长迅速，最终在中部撕裂产生二次小液滴。

图6.10　液滴以1.90 m/s的速度撞击基底的动态过程［9］

a.4.77 mm的金属液滴；b.5.38 mm的双流体液滴；c、d.侧视图［9］。