新型合金材料——什么是液态金属、液态金属的定义、发展以及用途

液态金属是什么？液态金属，它也被称为块状非晶，原子呈无序排列，无晶界，微观结构均匀，无析出相。液态金属和传统金属有什么不同？液态金属与传统金属相比之下，传统金属原子呈有序排列，有晶界，有析出相，微观结构不均匀。而金属材料的性能大多由内部结构决定。作为新时代最火的新型材料，液态金属可以说受到了广泛的关注。下面贤集网的小编就来为大家介绍一下，液态金属是什么、液态金属的定义、发展以及用途。

液态金属的定义

即非晶态金属，有时又称作“金属玻璃”，普通金属(合金)一般为晶态结构，而液态金属即为非晶态结构。

在介绍液态金属前，首先要强调的是，事实上现在我们所遇见的很多奇怪的金属合金实际上是由不同名称描述的相同材料。例如，Liquidmetal Alloys，Vitreloy，无定形金属和金属玻璃基本上指的是同一类别的新型金属，它们呈现非晶态的原子结构排列。要了解这些材料是什么，更重要的是了解如何更好地使用这些材料，首先必须了解“冶金”领域的一些基本原理。

金属合金具有一个共同的特性：具有原子结晶结构；即它们的原子被排列成自然有序的图案，并且这些排列也代表着材料的最稳定的结构(尝试摇晃一个充满球形大理石的玻璃瓶一段时间，然后静置并观察这些大理石球体紧密的排列)。

金属的结晶结构在加工和机械性能方面都是优缺点掺半的。这些材料展示了广泛的应用趋势，但是同样应用也会受到限制。例如，金属的熔融温度通常是与其硬度成正比的，材料的强度通常与其延展性成反比的。而这意味着具有低熔点(易于铸造)的合金通常是柔软的，低强度的；而具有高熔点的合金(不能很容易铸造)通常是硬的，高强度的和脆性的。

这些规则近几个世纪以来控制着金属合金的发展，并解释了特定应用材料之间的竞争。例如，如果想要使用一种金属，你可能会在铝合金，钛和钢之间摇摆不定。

铝合金可以铸造成网状，这能降低生产成本，但是很容易划伤且太柔软。钢板可以耐冲压并且非常耐刮擦，但是钢比铝更致密，使得其更重。

钛合金的密度低，强度高，但同样的熔点高，不易加工或铸造，此外其价格还比钢或铝贵。这时在使用中就必须对金属合金进行权衡，这个过程也称为“机械设计的材料选择”。

那么，现在如果开发的金属合金不再受金属结晶的典型趋势的限制呢？

那么这样的金属就可以在具有低熔融温度方便铸成网状的同时还能具有中等密度，并保持着钢的高强度和耐划伤性。该种材料最先由美国加州理工的Duwez教授在1960年用快淬工艺制备得到，当时得到的是Au-Si非晶合金。这种材料的关键形成条件在金属熔体的冷却过程中让其冷却速率足够大，熔体处于过冷状态，此时金属熔体的剪切粘度会急剧增大，导致传质过程困难，结晶反应被抑制乃至避免，熔体中的原子来不及进行规则排列(结晶)而形成独特的短程有序，长程无序的原子排布，也就是非晶合金。

通过围绕深熔点(也称为“共晶体”)合金组成的设计，可以将合金从液态(其中不存在晶体结构)冷却至室温而不形成晶体结构(因为晶体的形成需要时间，类似摇玻璃瓶)。通过快速冷却，可以将“液态”原子结构捕获到非结晶(或“无定形”)固体中，产生一类新的金属合金，就称为非晶金属或液态金属。

液态金属材料的应用领域十分广阔，但目前整个市场应用还处于起步阶段。有些的公司成功突破了材料改性技术，制造出了不同熔点、不同粘度、不同热导率/电导率以及不同物理形态的液态金属材料，受到了国内外知名企业的青睐。

液态金属的发展

随着现代技术的发展，电子产品体积越来越小，对传热、散热的要求也越来越高，能否打破传统模式，用具有优异导热特性的液态金属来传热、散热呢？从产生这一想法，到最终研发出液态金属材料及应用产品。

液态金属材料的应用领域十分广阔，但目前整个市场应用还处于起步阶段。依靠强大的研发团队，态金科技成功突破了材料改性技术，制造出了不同熔点、不同粘度、不同热导率/电导率以及不同物理形态的液态金属材料，受到了国内外知名企业的青睐。

液态金属的强度：

a 、强度是不锈钢的3倍，推荐安全使用强度1500Mpa。

b 、无塑性变形，确保成型与使用尺寸精度。

液态金属的弹性：

(1)、弹性应变能量：

最好的弹簧钢：2.2MJ/m2

液态金属：19MJ/m2

(2)、弹性形变 εel (%)：

不锈钢：0.2

液态金属：2

液态金属的硬度：

液态金属的硬度很高，成型后不需要做任何表面强化处理，表面硬度可以达到维氏硬度480-520HV(相当于洛氏硬度约50HRC)，达到了钢材热处理硬化后的标准，可以直接用于许多硬度要求高的地方。

液态金属的耐磨性：

液态金属耐磨性能好，按照同样的方式进行耐磨实验，几乎没有的体积和质量损失。

液态金属的尺寸精度和尺寸稳定性：

良好的尺寸精度和稳定性，满足复杂结构零件制造要求；产品缩水率约0.3%，相对于不锈钢MIM的缩水率17%-20%是很微小的，压铸成型后尺寸精度高，稳定性好，平面度高；产品通过模具型腔一次成型，产品公差通过模具精度来保证，产品尺寸精度一致性好；压力铸造，保证产品的致密性和优越性能；产品成型后，不需要热处理来保证性能，避免了因热处理造成的翘曲变形，尺寸变化；产品一旦成型，强度高，硬度高，后工序处理不会对产品尺寸造成不良影响，尺寸稳定性好。

液态金属良好的表面光洁度：

液态金属能够完全复制模具表面的光洁度和纹理；精细的模具表面光洁度可以得到好的产品表面光洁度，最好可以得到Ra0.2μm；表面光洁度的完全复制是非晶材料独有性能，其他材料无法实现的；

非晶压铸过程中使用脱模剂的量很少，也是表面光洁度高的原因之一。

液态金属的可批量压铸性与可重复性：

液态金属熔化温度836℃，在工艺上压铸可以实现；真空压铸条件保证压铸过程快速流动，实现充型；型腔模具生产，保证复杂产品一次整体成型，实现产品批量生产创造价值；小件多腔的模具设计，保证产品尺寸精度的同时，实现批量快速生产；压力铸造，保证产品的致密性和优越性能；压铸环境清洁，无污染产生；辅助设备使用，如机器人取代人的操作，安全生产；相对于不锈钢而言，液态金属具有密度小，强度高等性能，可以压铸相对复杂的结构件，达到简化生产工艺、快速量产；实现产品尺寸稳定、可重复生产、轻量化。

液态金属常温下呈液态，有金的光泽、银的质感，聚如流水，散若珍珠。

液态金属的机械性能：

使Liquidmetal与其它所有的晶体相材料不同的是其独特的加工和机械性能的结合。 像铝，镁和锌合金，Liquidmetal也可以很容易地从液体铸造成非常复杂的网状。 然而不同于那些合金，铸造的液态金属部件是硬的，高强度的，并且可以具有光泽的表面光洁度。

由于其玻璃状(无定形)结构，液态金属合金具有与高碳钢(1.9GPa，270Ksi压缩屈服强度)相当的强度，极好的耐腐蚀性(由于坚固的钝化层)，高硬度(Vickers 550，HRc 51)和中等密度(6g / cm 3)。 这些显着的性能结合使得Liquidmetal备受关注; 它们可以像塑料一样铸造成复杂的网状部件，同时具有类似于刚出模具的钛合金的最佳机械性能。结晶钢和钛合金由于其高熔点而不易铸造，并且必须负以巨大的加工成本才能形成复杂的网状。

Liquidmetal Technologies及其与Visser Precision Casting(VPC)认证的Liquidmetal的合作伙伴关系，开发了一种铸造工艺，通过该铸造工艺，可以在单一的高吨位工艺中制造具有高光泽金属光洁度的高公差零件，为无数的潜在商业应用打开了大门。

液态金属合金的用途

尽管Liquidmetal合金代表了金属合金可以使用的完美转化方式，但它们依然具有最适合的特殊应用。 实际上从来没有一种单一的材料解决方案来解决一个特定的工程问题，但是每个应用程序都有一个材料，它是成本，属性和处理方式的最佳组合。依据其加工或机械性能识别液态金属合金优于其替代材料的应用是制造成功产品的关键。 相比之下，了解他们的弱点也很重要。 毕竟，从来没有一种可以用于所有应用的材料。

液态金属合金最常见的应用是用于高温环境，例如由于其高强度和网状铸造能力用于发动机部件。这是对新型高性能材料的普遍需求，但由于液态金属合金的设计使其熔化温度尽可能低，从而可以形成尽可能厚的玻璃相，从而形成劣势。

液态金属合金永远不能在其玻璃化转变温度条件下使用，否则它们将开始流动并最终结晶。 尽管从合金到合金有一些变化，但是液态金属合金通常在低于250°C(482°F)的情况下连续使用。

当选择使用液态金属合金时，需要考虑的是要求的材料的大小或数量。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。同样的也有许多有关桥梁建造，汽车甚至建筑物使用液态金属合金的文章。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，而是由于它们的成本和尺寸的限制。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：

(1)、可以用金属替代的小塑料部件。

(2)、可以用网状铸件代替的加工金属部件。

(3)、使用结晶金属或塑料不能获得相应的机械性能。

(4)、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。

而铟作为液态金属的主要成分之一，地壳储量仅为黄金的六分之一，被列为稀有金属。液态金属电子电路打印机完全改变了传统模式，使得在极低成本下快速、随意地制作电子电路成为现实。

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