液态金属的基本特性

表2.3列出了几种典型液态金属与水的物理性质对比情况。其中，GaIn24.5为共晶镓铟合金，Ga和In的质量分数分别为75.5%和24.5%；Ga62.5 In21.5 Sn16中Ga、In和Sn的质量分数分别为62.5%、21.5%和16%［35］。从表中可以看出，液态金属的热导率一般是水的数十倍。因此如果把室温液态金属选作冷却流体，可望获得远超出普通流体的冷却效率［36］，所以液态金属尤其适用于高热流密度设备的散热，这种热流体特性对于3D打印的控制至关重要。其中，λ为热导率，σe为电导率，κB为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，e=-1.6×10-19 C为电子电荷。这就是著名的魏德曼-弗兰兹-洛伦兹方程（Wiedemann-Franz-Lorenz Equation），从中可以看出，液态金属的热导率正比于电导率。

表2.3　几种典型液态金属与水的物理性质对比

注：a=30℃。

对液态金属来说，其热导率与电导率之间存在着如下关系［46］

图2.2为金属镓的动力黏度随温度的变化曲线［47］，从图中可以看出，镓的黏度随温度上升而降低，降低速率由快变慢，镓在320℃左右时的动力黏度等于水在常温时的黏度。

图2.2　镓的动力黏度随温度的变化曲线［47］(www.xing528.com)

液态金属的表面张力一般是其他流体材料的数倍，这一特性使得它可以在流体系统中减少泄露的可能性。图2.3是镓和铟的表面张力与温度的关系［48］，总体上，表面张力随温度升高呈下降趋势。

热容是物质在温度改变时内能的变化量，热容大的物质，单位质量可吸收的热量也较大。虽然液态金属的热容远小于其他非金属流体材料，然而这两种材料单位体积的热容相差并不是很悬殊，如水的热容为4 200 kJ/（m3·K），液态镓为2 158 kJ/（m3·K）［49］。

图2.3　镓和铟的表面张力与温度的对应关系［48］

一般来说，金属的实际结晶温度Tn均低于其平衡结晶温度Ts，差值ΔT=Ts-Tn通常被称作过冷度。液态金属受冷时大多具有一定的过冷度，例如，镓可以在远低于常温的条件下保持液态。相关的理论和实验表明，人们可以把团状金属分散为小液滴来获得较大的过冷度，表2.4给出了一些液态金属在团状和小液滴状时的最大过冷度对比情况。此外，还有其他增大过冷度的措施，如包覆有碳纳米管的镓液滴在-80℃时仍可保持液态［50］，置于环氧树脂中的亚微米镓液滴过冷度甚至可达到150℃［51］，凝固点和熔点的巨大差异使得镓能够成为理想的对流冷却制冷剂，但这在3D打印凝固成型中却需要予以合理应对，以确保最终制成金属件的品质。

由于液态金属拥有较高的热导率、电导率、容积热容、表面张力，以及较低的黏度等性质，使得它在许多方面尤其是热管理、印刷电子、柔性器件等领域显现出了广阔的应用潜力。

表2.4　锡、汞和镓的最大过冷度（单位：℃）［52］

注：Tms为最大过冷度（℃）；Tn为实际凝固温度（℃）。