蓬勃發(fā)展的液態(tài)金屬新工業(yè)

近年來，我國在液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面進(jìn)入快速發(fā)展階段，居國際領(lǐng)先水平，已孵化出一系列在世界上處于領(lǐng)先地位或填補(bǔ)空白的液態(tài)金屬高新技術(shù)企業(yè)，包括云南液態(tài)金屬谷系列公司及北京夢之墨科技有限公司等，從液態(tài)金屬功能材料、應(yīng)用器件到先進(jìn)制造裝備等系列產(chǎn)品已批量進(jìn)入市場[1]。由于液態(tài)金屬巨大的應(yīng)用價值及發(fā)展?jié)摿Γ恍┌l(fā)達(dá)國家正陸續(xù)在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面進(jìn)行布局。

液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程

2002年，中國團(tuán)隊(duì)首次提出將低熔點(diǎn)金屬特別是鎵基液態(tài)金屬流體用于芯片冷卻，開啟了這類高安全性常溫液態(tài)金屬的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。此后，又相繼開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D打印、生物醫(yī)學(xué)、可變形機(jī)器等多個領(lǐng)域的研究[1]，使液態(tài)金屬從最初的冷門發(fā)展成備受矚目的重大科技前沿。

早在2004年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院理化所”）就開始液態(tài)金屬前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的推動工作。當(dāng)時，高性能芯片的“熱障”問題使得以風(fēng)冷為代表的傳統(tǒng)散熱方法面臨巨大挑戰(zhàn)，熱管及水冷等方式逐步成為主流，然而芯片在摩爾定律的快速迭代范式下，已有技術(shù)無法滿足芯片可持續(xù)發(fā)展的需求。液態(tài)金屬具有遠(yuǎn)高于常規(guī)流體的熱導(dǎo)率（如鎵熱導(dǎo)率約為水的60倍），可極大提升流體換熱系數(shù)[2]。特別是，液體金屬作為一種優(yōu)良的導(dǎo)電介質(zhì)，可通過無運(yùn)動部件的電磁泵驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)緊湊式高性能液冷散熱器，這種超高熱流密度散熱及低功耗特性，在芯片及相關(guān)行業(yè)展示出重大價值。

基于早期液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，液態(tài)金屬領(lǐng)域引領(lǐng)者、中科院理化所劉靜教授于2008年前瞻性地提出在中關(guān)村創(chuàng)建中國液態(tài)金屬谷的戰(zhàn)略構(gòu)想，但限于時機(jī)而未能實(shí)質(zhì)性推動。不過，該倡議在數(shù)年后由于相關(guān)項(xiàng)目乃至產(chǎn)業(yè)集群落地于有著有色金屬王國之稱的云南后得以快速推動起來，云南也歷史性地成為液態(tài)金屬全新工業(yè)的策源地。2013年，中科院理化所液態(tài)金屬項(xiàng)目落地云南，由中宣液態(tài)金屬科技有限公司（以下簡稱“中宣公司”）實(shí)施產(chǎn)業(yè)化。2014年，作為“科技入滇”重點(diǎn)簽約項(xiàng)目，液態(tài)金屬科技成果在業(yè)界產(chǎn)生重要影響；與此同時，結(jié)合云南有色金屬資源優(yōu)勢建設(shè)液態(tài)金屬谷的倡議得以落實(shí)。2015年，中宣公司在國內(nèi)外率先建成液態(tài)金屬熱界面材料等生產(chǎn)線，推出了液態(tài)金屬導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片、電子油墨、電子手寫筆等系列產(chǎn)品。同年，在多方推動下，定位于服務(wù)支撐液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)的云南科威液態(tài)金屬谷研發(fā)中心掛牌成立。2016年，專注于極端散熱的云南靖創(chuàng)液態(tài)金屬熱控技術(shù)研發(fā)有限公司（以下簡稱“靖創(chuàng)公司”）在曲靖成立。2017年2月，云南液態(tài)金屬谷建設(shè)成果入選“2016云南十大科技進(jìn)展”，被贊譽(yù)為“揭開了液態(tài)金屬前沿技術(shù)的神秘面紗”。此后，云南逐步建立起較為完善的液態(tài)金屬研發(fā)、生產(chǎn)、檢測等產(chǎn)業(yè)體系，先后孵化出8家相關(guān)產(chǎn)業(yè)化公司，具備了良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢，“中國液態(tài)金屬谷”產(chǎn)業(yè)集群初步形成。

液態(tài)金屬四大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域

液態(tài)金屬正帶動新一代信息技術(shù)、新能源、先進(jìn)制造、生物醫(yī)學(xué)、國防科技等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化主要涉及四大領(lǐng)域。

液態(tài)金屬先進(jìn)散熱

液態(tài)金屬作為同時兼具流動性、高導(dǎo)熱性、高體積相變潛熱的材料，為先進(jìn)散熱技術(shù)的發(fā)展帶來了顛覆性變革。例如，將液態(tài)金屬通過浸潤性改性后制備的熱界面材料的熱阻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有硅脂基熱界面材料；將液態(tài)金屬作為流體散熱介質(zhì)，其換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液冷技術(shù)；將液態(tài)金屬（低熔點(diǎn)合金）作為相變熱控材料，則具有單位體積相變潛熱大、相變材料內(nèi)溫度梯度小、相變前后體積變化小等顯著優(yōu)勢[2]。

近20年來，國際上圍繞液態(tài)金屬先進(jìn)散熱技術(shù)的研究與應(yīng)用呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢。繼中國之后，發(fā)達(dá)國家也紛紛加以布局，美國國家航空航天局（NASA）還于2014年將其列為前沿研究方向。我國總體上在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化上均占據(jù)先機(jī)。液態(tài)金屬熱界面材料方面，我國學(xué)者率先解決了液態(tài)金屬與不同基底之間的浸潤性這一核心問題[3]，在應(yīng)用上跨出實(shí)質(zhì)性一步；此后，中宣公司于2014年實(shí)現(xiàn)了熱界面材料產(chǎn)品量產(chǎn)，并成功應(yīng)用于索尼、聯(lián)想等知名公司的最新電子終端產(chǎn)品。液態(tài)金屬相變材料單位體積的相變潛熱遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料，為解決受限空間高功率密度熱控問題開辟了新途徑，靖創(chuàng)公司的相變熱控產(chǎn)品已應(yīng)用于國防領(lǐng)域。液態(tài)金屬流體散熱方面，中科院理化所研制的液態(tài)金屬CPU散熱器于2008年進(jìn)入市場，性能明顯優(yōu)于市場上的頂級熱管散熱產(chǎn)品[4]。

可以預(yù)計(jì)，由于兼具各種綜合優(yōu)勢，液態(tài)金屬有望成為理想的超高功率密度散熱材料，并帶動構(gòu)建嶄新的技術(shù)應(yīng)用體系，有關(guān)研究不僅為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步注入了新的活力，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與變革帶來了新的希望。

液態(tài)金屬印刷電子與3D打印

電子器件制造在現(xiàn)代文明中扮演了至關(guān)重要的作用。已有的電子制造方法大多昂貴、耗時、耗材及耗能，難以實(shí)現(xiàn)普惠化及個性化。我國研究者于2010年前后開創(chuàng)性提出了顛覆傳統(tǒng)的液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)[5]與3D打印技術(shù)[6]，相繼發(fā)明了一系列全新概念的液態(tài)金屬印刷電子與3D打印材料及制造裝備，建立了有關(guān)理論與技術(shù)體系。

2012年，中科院理化所團(tuán)隊(duì)首次系統(tǒng)論述基于液態(tài)金屬的電子直寫技術(shù)[7]，并研發(fā)出世界上第一臺液態(tài)金屬桌面級電子電路打印機(jī)，可在任意基質(zhì)上打印的液態(tài)金屬噴墨打印機(jī)，以及常溫下直接成型的液態(tài)金屬3D打印機(jī)。以上液態(tài)金屬打印產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)已由北京夢之墨科技有限公司實(shí)施產(chǎn)業(yè)化。

隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等新一代電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，作為其硬件基礎(chǔ)的印刷電子行業(yè)也得到蓬勃發(fā)展。液態(tài)金屬作為一種液體導(dǎo)電材料，具備利用印刷（涂布）工藝，制造柔性化、薄膜輕質(zhì)化、表面共形化電子線路及器件的能力，并有望與大面積、卷對卷等規(guī)模化生產(chǎn)方式相結(jié)合，可望為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。而作為信息科學(xué)與制造業(yè)深度融合的先進(jìn)制造技術(shù)，3D打印代表了未來數(shù)字化生產(chǎn)的新方向。中國科學(xué)家首創(chuàng)的機(jī)電一體化液態(tài)金屬3D打印技術(shù)，打破了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的應(yīng)用瓶頸。機(jī)電一體化液態(tài)金屬3D打印技術(shù)的創(chuàng)新在于賦予傳統(tǒng)3D打印產(chǎn)品電學(xué)功能，從而使功能器件的3D打印成為現(xiàn)實(shí)。

液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)

發(fā)端于我國的液態(tài)金屬生物材料學(xué)促成了相應(yīng)理論與技術(shù)體系的構(gòu)建[8]，一系列基礎(chǔ)突破在國際上產(chǎn)生廣泛影響。首創(chuàng)的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，被評價為“極令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”；發(fā)明的液態(tài)金屬血管造影術(shù)、液態(tài)金屬腫瘤栓塞劑、可注射固液相轉(zhuǎn)換型低熔點(diǎn)合金骨水泥，以及醫(yī)療電子在體3D打印等，也在業(yè)界引起廣泛重視。

在液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面，我國也走在世界前列。云南邁特力醫(yī)療技術(shù)有限公司基于液態(tài)金屬的低溫熔塑特性，研發(fā)的骨科外固定支具產(chǎn)品已應(yīng)用于臨床，解決了傳統(tǒng)骨科外固定支具功能單一、笨重、使用不便、舒適性差等痛點(diǎn)。該技術(shù)展示出熱塑形溫度低及貼合度好、質(zhì)量輕、透X線、形狀溫控記憶性好等顯著優(yōu)勢。隨著我國快速進(jìn)入老齡化社會，患有關(guān)節(jié)疾病、運(yùn)動功能障礙的老年人日益增多，這種具有輔助支撐及康復(fù)治療功能的柔性外骨骼產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展空間，有望帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

液態(tài)金屬柔性機(jī)器

實(shí)現(xiàn)可在不同形態(tài)之間可控轉(zhuǎn)換的柔性機(jī)器，以執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，是科學(xué)界與工程界長久以來的目標(biāo)，相關(guān)研究具有重大應(yīng)用前景。近年來，隨著液態(tài)金屬基礎(chǔ)研究的重大發(fā)現(xiàn)和突破，柔性機(jī)器的研制出現(xiàn)了前所未有的曙光，促成可變形柔性機(jī)器從理想走向了現(xiàn)實(shí)[9]。

液態(tài)金屬柔性機(jī)器的開創(chuàng)性研究于2014年由我國學(xué)者發(fā)表[10]，被評價為“液體機(jī)器預(yù)示著柔性機(jī)器人的新時代”。該項(xiàng)研究表明，常溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運(yùn)動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。例如，浸沒于電解液中的液態(tài)金屬可在低電壓作用下實(shí)現(xiàn)大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動，并可發(fā)生液態(tài)金屬之間的融合、分裂及再融合等行為，可作為構(gòu)筑可變形機(jī)器的基本要素。此后，我國學(xué)者又先后發(fā)展出一系列液態(tài)金屬大尺度變形控制技術(shù)，為發(fā)展柔性機(jī)器人奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，液態(tài)金屬柔性機(jī)器的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)處于啟動階段，蘊(yùn)藏著巨大發(fā)展機(jī)遇。通過液態(tài)金屬與其他材料的結(jié)合，還可發(fā)展固液結(jié)合及剛?cè)嵯酀?jì)的機(jī)器人形態(tài)。不難預(yù)見的是，由液態(tài)金屬制造的柔性可控變形單元，將為構(gòu)建全新概念的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)開啟廣闊的空間。

液態(tài)金屬新材料標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是提高市場競爭力的關(guān)鍵要素。當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)已成為各國競爭的焦點(diǎn)之一。由中科院理化所牽頭制定的液態(tài)金屬首項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)（鎵基液態(tài)金屬GB/T 39859-2021）于2021年10月1日實(shí)施，這也是國際上第一項(xiàng)液態(tài)金屬國家標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步推動液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決技術(shù)指標(biāo)評價體系不完善的問題，全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已先后組織立項(xiàng)了多項(xiàng)液態(tài)金屬國家標(biāo)準(zhǔn)，部分已進(jìn)入制定或預(yù)研階段。

液態(tài)金屬標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)不僅能加快液態(tài)金屬前沿技術(shù)的推廣應(yīng)用，引領(lǐng)和規(guī)范我國液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)液態(tài)金屬材料相關(guān)領(lǐng)域高質(zhì)量健康發(fā)展，還能更好地保障我國在液態(tài)金屬行業(yè)的主導(dǎo)權(quán)和話語權(quán)。

[1]劉靜， 楊應(yīng)寶， 鄧中山. 中國液態(tài)金屬工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告：一個全新工業(yè)的崛起. 昆明： 云南科技出版社， 2018.

[2]鄧中山， 劉靜. 液態(tài)金屬先進(jìn)芯片散熱技術(shù). 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2020.

[3]Gao Y X， Liu J. Gallium-based thermal interface material with high compliance and wettability. Applied Physics A， 2012， 107： 701-708.

[4]Deng Y G， Liu J. Design of a practical liquid metal cooling device for heat dissipation of high performance CPUs. ASME Journal of Electronic Packaging， 2010， 132： 31009-31014.

[5]劉靜， 王倩. 液態(tài)金屬印刷電子學(xué). 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2019.

[6]劉靜， 王磊. 液態(tài)金屬3D打印技術(shù)： 原理及應(yīng)用. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2019.

[7]Zhang Q， Zheng Y， Liu J. Direct writing of electronics based on alloy and metal ink （DREAM Ink）： a newly emerging area and its impact on energy， environment and health sciences. Frontiers in Energy， 2012， 6： 311-340.

[8]Liu J， Yi L T. Liquid Metal Biomaterials： Principles and Applications， Singapore： Springer， 2018.

[9]Liu J， Sheng L， He Z Z. Liquid Metal Soft Machines： Principles and Applications， Singapore： Springer， 2018.

[10]Sheng L， Zhang J， Liu J. Diverse transformation effects of liquid metal among different morphologies. Advanced Materials， 2014， 26： 6036-6042.

關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬 新工業(yè) 產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ■