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2017年以來，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）連續(xù)披露其液態(tài)金屬研發(fā)工作的最新進(jìn)展，顯示出美國在液態(tài)金屬應(yīng)用研究領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。目前AFRL的液態(tài)金屬天線技術(shù)已完成實(shí)驗(yàn)室階段的可行性驗(yàn)證和原型件試制，利用液態(tài)金屬制成的天線原型件可在70兆赫～7吉赫范圍內(nèi)，按需調(diào)節(jié)工作頻率，達(dá)到“以一替多”，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)通信設(shè)備精簡和系統(tǒng)減重等目的；AFRL通過3D打印出了液態(tài)金屬柔性電路樣件，精度達(dá)到了微米級(jí)；美國大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)正開展液態(tài)金屬機(jī)器人機(jī)理研究。
一、鎵銦合金是最具應(yīng)用前景的液態(tài)金屬
液態(tài)金屬通常是指熔點(diǎn)低于200℃的低熔點(diǎn)合金，其中室溫液態(tài)金屬的熔點(diǎn)更低，在室溫下即呈液態(tài)。自然界存在的室溫液態(tài)純金屬有汞、銫、鈁和鎵，熔點(diǎn)分別是-38.87℃、28.65℃、27℃和29.8℃。汞的揮發(fā)性較大，且有毒，含汞殘余物進(jìn)入生態(tài)循環(huán)會(huì)對(duì)人類和環(huán)境造成危害，因此僅限于科學(xué)研究，大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用受限。銫和鈁屬于性質(zhì)活潑的堿性金屬，銫在空氣中極易被氧化，和水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，而鈁則是一種不穩(wěn)定的放射性元素，限制了其應(yīng)用開發(fā)。
鎵銦合金（左側(cè)）及由該合金支撐的液態(tài)金屬液滴陣列（美國北卡羅來納州州立大學(xué)圖片）
因此，從上世紀(jì)九十年代末起，國外科學(xué)家開始重點(diǎn)研究鎵合金，代替汞開展液態(tài)金屬的機(jī)理探索和應(yīng)用研究。鎵無毒，在手掌上就可化為液態(tài)，合金性能穩(wěn)定，具有良好的介電性能和熱脹冷縮性能。通過加入其他元素，可形成鎵合金來調(diào)節(jié)熔點(diǎn)。研究表明，當(dāng)鎵中加入銦元素，形成的鎵銦共晶合金，其熔點(diǎn)可在零攝氏度以下，用于電路設(shè)計(jì)，可通過機(jī)械、電壓等外部作用，對(duì)電路中鎵銦液態(tài)金屬的形貌、位置等進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)計(jì)，且易于電路重構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)銅制電路靈活性不足且難以更改重構(gòu)的缺點(diǎn)。
二、鎵銦液態(tài)金屬在射頻天線和印刷柔性電路領(lǐng)域快速走向應(yīng)用
目前，美軍鎵銦液態(tài)金屬軍用天線已完成原型件驗(yàn)證，未來十年內(nèi)有望裝機(jī)應(yīng)用；液態(tài)金屬3D打印作為柔性電子器件制造的最新前沿技術(shù)，為常溫下直接制造柔性導(dǎo)線、執(zhí)行器、電極系統(tǒng)、可穿戴式機(jī)械外骨骼的元器件，開辟了一條方便快捷且有望實(shí)現(xiàn)普及化應(yīng)用的途徑。
1. 鎵銦液態(tài)金屬天線頻率可調(diào)，顛覆了傳統(tǒng)軍用天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為滿足不同任務(wù)需求，軍用飛機(jī)常需配裝數(shù)十副天線，覆蓋8～9種不同的工作頻率。多個(gè)天線通常會(huì)造成系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、增重以及信號(hào)間的干擾，使系統(tǒng)整體性能下降。美國科學(xué)家于2009年提出液態(tài)金屬多頻天線的概念，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下證實(shí)了鎵液態(tài)金屬天線的性能。2011年，美國南卡羅萊納州立大學(xué)，首次研制出常溫液態(tài)的鎵銦共晶合金，并制備出在1.91吉赫～1.99吉赫范圍內(nèi)頻率可調(diào)的鎵銦液態(tài)金屬天線原理件，成功驗(yàn)證了技術(shù)可行性。2015年，該研究團(tuán)隊(duì)又采用新的電壓驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合金形貌和位置的控制，研制出工作頻率在0.66吉赫～3.4吉赫范圍內(nèi)可調(diào)的鎵銦液態(tài)金屬天線。
左：2011年研制出的原理樣件；右：2017年AFRL展示的液態(tài)金屬共形天線原型件
美國南卡羅萊納州立大學(xué)2011年的研究成果引起了美空軍的高度關(guān)注。2012年AFRL的制造材料、傳感器、航空航天系統(tǒng)各部門聯(lián)合啟動(dòng)液態(tài)金屬天線應(yīng)用研究項(xiàng)目，重點(diǎn)解決液態(tài)金屬在軍用環(huán)境下的服役溫度和更寬頻率范圍的可調(diào)問題，推進(jìn)液態(tài)金屬天線的工程化進(jìn)程。2015年該實(shí)驗(yàn)室通過鎵銦共晶合金的成分調(diào)整，成功將液態(tài)金屬熔點(diǎn)降到-19℃，隨后進(jìn)一步開展降熔點(diǎn)和擴(kuò)頻率的研究工作。2016年通過對(duì)鎵銦合金進(jìn)行成分優(yōu)化，加入錫、硒、碲等元素，成功將液態(tài)金屬的熔點(diǎn)降到-28℃，基本滿足了裝備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境需求。2017年6月，該實(shí)驗(yàn)室披露其通過復(fù)雜電路設(shè)計(jì)，成功研制在70兆赫～7吉赫工作頻率范圍內(nèi)，可按需調(diào)節(jié)工作頻率的液態(tài)金屬天線原型件，并證實(shí)該天線在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能夠有效完成任務(wù)。目前，美軍正在加速推進(jìn)該技術(shù)的成熟，以便用于裝備。AFRL的下一步計(jì)劃是找出這種新型材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的集成方法，在無人機(jī)（如MQ-9“死神”）上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
與傳統(tǒng)天線相比，液態(tài)金屬天線有四大優(yōu)勢：①頻率可調(diào)，具備多個(gè)工作頻率；②不易斷裂，更為耐用；③設(shè)計(jì)靈活，可重構(gòu)；④系統(tǒng)減重，小型化。
2. 鎵銦液態(tài)金屬可制成導(dǎo)電“墨水”，打印柔性電路
鎵銦液態(tài)金屬用作3D打印柔性電路的“墨水材料”，“墨水”配制簡單，無需后處理，電導(dǎo)率相對(duì)較高，是一種理想的3D打印柔性電路原材料。
2012年前后，AFRL開始液態(tài)金屬3D打印軍用柔性電路應(yīng)用研究。2015年4月，在該實(shí)驗(yàn)室的資助下，美國普渡大學(xué)研發(fā)出名為“機(jī)械燒結(jié)鎵銦納米顆粒”的液態(tài)金屬噴墨打印的批量化生產(chǎn)方法，能在多種彈性材料和纖維上打印出柔性電路。這種方法的工藝流程是：首先將經(jīng)過聲波處理的液態(tài)金屬放入乙醇溶劑中，在溶劑中形成納米粒子并均勻分布；然后可在多種襯底上進(jìn)行打??；最后乙醇揮發(fā)，就能獲得液態(tài)金屬納米粒子的打印電路，精度可達(dá)到微米級(jí)。目前研究人員先后通過機(jī)械給料、電壓等方式，初步達(dá)到了對(duì)合金液滴的表面張力控制，實(shí)現(xiàn)了液滴聚集、分散或是尺寸變形，但要精確實(shí)現(xiàn)聚集的數(shù)量、形變尺寸控制等還需要更進(jìn)一步的研究。科研人員表示，下一步通過對(duì)液態(tài)金屬表面張力的控制，重點(diǎn)研究“墨水”與基底表面間的相互作用，以便生產(chǎn)出滿足結(jié)合強(qiáng)度要求的各類實(shí)用器件。
美空軍研究實(shí)驗(yàn)室用液態(tài)金屬顯示出該實(shí)驗(yàn)室名稱英語縮略語（美空軍研究實(shí)驗(yàn)室圖片）
3. 液態(tài)金屬內(nèi)部機(jī)理揭露有望奠定柔性機(jī)器人的技術(shù)基礎(chǔ)
目前的機(jī)器人還主要依靠傳統(tǒng)材料，體型較為龐大、結(jié)構(gòu)剛性、行動(dòng)不夠靈活。液態(tài)金屬改變了人們對(duì)傳統(tǒng)材料的認(rèn)識(shí)，將成為機(jī)器人發(fā)展的重要突破。液態(tài)金屬不僅可制作機(jī)器人的柔性導(dǎo)線、執(zhí)行器、電極系統(tǒng)等電子系統(tǒng)，還可制成神經(jīng)、肌肉、骨骼等。采用液態(tài)金屬電極制造人工肌肉，可以確保較高的順應(yīng)性，變形率高達(dá)300%，顯著優(yōu)于采用傳統(tǒng)剛性金屬；利用液態(tài)金屬制成的具有傳感功能的神經(jīng)系統(tǒng)可擺脫傳統(tǒng)剛性傳感器的限制，搭配柔性多自由度、無剛性結(jié)構(gòu)肌肉，與生物機(jī)體運(yùn)動(dòng)高度契合；而液態(tài)金屬的低熔點(diǎn)固液態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，使得液態(tài)金屬制造的人造外骨骼在需要時(shí)變成液態(tài)，能夠在狹小的空間穿行。目前，美國大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)主要開展液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)機(jī)制、成分配比、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、宏微觀本征性能方面等基礎(chǔ)理論研究。隨著研究的深入，液態(tài)金屬材料將為柔性可變形智能機(jī)器人研制打開全新視野。
《終結(jié)者2：審判日》中的T-1000液態(tài)金屬殺手機(jī)器人。本文采用此圖，以向該科幻影片和材料科技致敬
三、結(jié)束語
液態(tài)金屬是美軍高度重視的新材料技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于革新軍用電子電路系統(tǒng)、機(jī)器人等具有重要意義。我們通過公開文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)，我國中科院理化技術(shù)研究所、浙江大學(xué)等單位已開展了液態(tài)金屬3D打印、液態(tài)金屬界面接觸機(jī)理等方面的研究，部分研究成果如液態(tài)金屬3D打印機(jī)研制、液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)機(jī)制揭示等方面，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
但是，針對(duì)軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，液態(tài)金屬天線開發(fā)、柔性電子屏和電路板打印等面向工程化應(yīng)用的成果還較少，與國外存在一定差距。為此，我們建議：一是在該領(lǐng)域大力發(fā)揮軍民融合優(yōu)勢，聯(lián)合國內(nèi)材料、制造、子系統(tǒng)多專業(yè)的軍民研究力量，組建研究團(tuán)隊(duì)；二是聚焦天線、柔性電路、機(jī)器人等液態(tài)金屬重點(diǎn)研究方向，設(shè)立國家研究項(xiàng)目，重點(diǎn)攻關(guān)工程化應(yīng)用中的液態(tài)金屬精確控制、液態(tài)金屬電路與傳統(tǒng)電子電路接口等問題，加快液態(tài)金屬材料技術(shù)成果向武器裝備轉(zhuǎn)化。
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