话说液态金属(4)

2017年09月25日 9:19 4279次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

  当选择使用液态金属合金时,需要考虑的是要求材料的大小或数量。就像应用于高温环境下,液态金属的机械性能也受到结构部件的诱导,如桥梁建造、汽车甚至建筑物使用液态金属。最重要的是要考虑这些合金不是在高性能结构应用中钢铁和铝的替代品,而是由于它们受成本和尺寸的限制,液态金属只能制成几毫米厚的零件。大型结构构件,如建筑物I型梁,是不可能制造的。在毫米厚度上使用液态金属合金制造大型面板或片材是有可能的,但这项技术目前还在开发中,至少目前给出的资料还没有显示这方面的成功应用。此外,液态金属合金用于汽车保险杠、飞机面板和船舶用能量吸收结构都是目前可用技术不可能实现的巨大应用。
  通过考虑以下四个方面可以找到液态合金的最佳应用。一是可以用金属替代的小塑料部件,二是可以用网状铸件代替的加工金属部件,三是使用结晶金属或塑料不能获得相应的机械性能,四是高附加值部件。因为液态金属合金的密度和强度与晶体钛合金相似,所以可以考虑用可铸造,而不是加工零件替代钛合金。
  用液态金属代替小塑料部件。对于要用金属代替的塑料,必须有原因。塑料便宜,极易铸造,相当耐用。不幸的是,在许多应用中,塑料太软,强度低,并且不耐用。此外,塑料的光洁度永远不会像消费品中的抛光金属一样有光泽。电子外壳(手机、笔记本电脑、相机、视频游戏等)是最有说服力的例子。液态金属合金可以像塑料一样,精确铸造,并且具有金属耐久性和光泽表面的附加优点。然而,这种应用的推广必须考虑到成本的折衷。如果零件的销售成本远远超过材料成本,那么与标准塑料相比,该部件的光滑金属表面可能是有益的。然而,对于低成本零件,如塑料儿童玩具,液态金属合金不是很好的选择。
  用铸造液体金属代替的加工金属部件。当金属部件(如铰链、紧固件或小型电子部件)必须由一片金属加工成型时,液态金属合金的应用就显得非常必要。钢制冲压技术在制备复杂的金属零件方面表现优异,但往往不能达到小零件所需的公差。金属部件需要螺纹孔、法兰或轮廓,不能另外进行冲压。如果金属部件必须进行加工时,只要工作温度相对较低,就可以使用液态金属合金替代。
  机械性能不能从除液态金属合金外的金属获得。液态金属合金的最佳应用是利用合金的独特机械性能及其加工能力。以高尔夫球杆为例,液态金属合金高尔夫球杆可以在单一加工步骤中铸造,但具有超过所有竞争对手(包括钢和钛)的弹性模量和强度。
  加固型案例是属性和加工处理结合的另一种理想应用。液体金属外壳可以铸造成具有完美表面光洁度的网状,同时也具有耐划伤性和耐用性。如果金属部件难以加工,需要高抛光,需要耐刮擦,具有复杂的特性,受到腐蚀性环境影响或需要高弹性,那么液态金属是这个部件替代物中最好的候选者。
  高附加值液态金属部件。这是指产品的成本大大超过材料成本(通常需要某种特殊工艺或具有独特应用)。 液态金属合金在这些领域已经有很多成功的应用,包括手表,珠宝,高端案例和牙科设备。
  液态金属合金可与其他高性能合金结合,制造特殊的部件,如OMG海洋液态金属表,就是依靠材料的外观而不是其功能。在另一种应用中,牙科植入物的成本远远高于其制造的材料。如果液态金属与传统材料相比存在一些成本或加工上的优势,那么它就是最合适的选择。这四条规则提供了从消费品硬件到导弹部件,如何将液态金属合金整合到各种产品中的一般指导方针,也更有助于我们开发液态金属的应用。
  近年来,我国液态金属的发展主要集中在智能机器人领域。而清华大学的刘静课题组就是这个领域的代表人物。那么液态金属用于智能机器人领域是个什么状态呢?我们应该都记得在1991年的电影“终结者2”中,出现了一种由液态金属制成的能力可变的机器人T-1000。无论身体发生什么样的伤害,T-1000都可以立即自动恢复。T-1000甚至可以自适应地改变身体形状并调整他的面部特征。这么多年来,这种形状转换和智能机器人就是机器人和自动化领域的终极目标之一。刘静课题组的研究为智能电机,血管机器人,流体泵送系统,柔性执行器和更复杂的液态金属机器人的发展奠定了理论和技术基础,但是这些液态金属机器时纯液相的。在2016年刘静团队发表了一篇题为“液态金属机器触发小提琴式线振荡器”的论文,发表在《Advanced Materials》上作为封面故事。在这篇文章中液态金属内的铜线进行非常独特的自激振荡,即一旦处理过的铜线接触到含铝液体金属,铜线将被液态金属迅速吞噬,作为小提琴的滑动弓进行长期往复的运动。上述现象的机理主要是由于铝和碱溶液之间的电化学反应,导致液态金属与铜线两端之间的润湿力差异。铜线、液态金属、电解质和氢气之间的动态耦合产生节奏驱动力,这项技术实现了固液相组合。这一突破性的发现彻底改变了传统的接口科学,为软智能机器的开发铺平了道路,并开发了用于流体、电气、机械、光学和其他系统的创新控制开关。
  目前,世界先进机器人的研发是热点话题。如果我们能够在很大程度上掌握和运用液态金属的独特性质,我们将能够开发具有超越最新技术的人造智能和能力的新型机器人技术。刘静团队关于液态金属自驱动效应及其相应复杂功能实施的开创性工作和发现具有非常重要的科学意义和实践应用前景,为未来开辟了新的途径。

责任编辑:淮金

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