随着人工智能、可穿戴设备等技术的飞速发展，传统的热管理材料已经较难满足当前微电子产业的发展需求。而以金属镓为代表的液态金属（LM），因具有高热导率、优异的生物相容性、良好的流动性等物理化学性质，在柔性电子器件、热界面材料、智能机器人传感器等领域展现出巨大的应用前景。接下来，小编将为大家介绍一下液态金属及其相关复合材料。

（图源：文献1）

什么是液态金属？

液态金属（LM），又称低熔点金属，是指熔点在300℃以下，常温下以液态形式存在的金属或合金，具有耐腐蚀、耐磨、热导率高、流动性好、热阻低等诸多优点。传统的金属原子一般呈有序排列、有晶界、微观结构不均匀，而液态金属呈无序排列、无晶界、微观结构均匀，它形成的关键条件是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，结晶反应因而被抑制，熔体中的原子来不及进行规则排列而形成独特的短程有序，长程无序的原子排布。常见的液态金属主要有铯、钫、铷、汞、镓，但由于汞在常温下可以气化且具有一定的毒性；铯、铷、钫3种金属具有较强的放射性，因而在一定程度上限制它们的应用。

典型液态金属与水的热物理性质对比表（图源：文献6）

液态金属复合材料

液态金属虽然具有较高的热导率，但由于其具有较强的流动性，因此在实际应用过程中，容易出现泄露问题，导致电路短路、器件损耗等情况的发生。因此，常常将其包裹在聚合物基体中，制成聚合物基复合材料来进行使用。通常情况下，不同的制备方法会影响液态金属在聚合物基体中的分布，进而影响复合材料的整体导热性。液态金属在聚合物基体中的结构分布大致可以分为非连续分布、单向连续分布以及三维连续分布。

1、非连续分布

非连续分布是指液态金属在聚合物基体中呈液滴状，孤立分散于聚合物基体中。这种情况下液态金属被聚合物重重包裹着，缺乏有效的导热路径，因此热导率的提升有限。只有液态金属的体积分数较高时，才会获得较高的热导率，而过多的液态金属又会使复合材料的力学性能急剧下降。因此，应该合理设计液态金属在聚合物基体中的分布，选择合适的聚合物种类、调控液态金属填料的含量和成分，制备能适应不同热管理需求的导热复合材料。通常，将液态金属和未固化的聚合物(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅油等)进行机械混合，可得到该种复合材料，其通常具有各向同性的导热性能，但热导率提升有限。

Mei等通过机械搅拌的方式将镓铟锡合金和硅油混合，得到非连续分布的液态金属/硅油导热硅脂，当镓铟锡合金的体积分数为81.8%时，该复合材料的热导率为5.27W/(m·K)，可以很均匀地涂抹在金属表面。由于镓铟锡合金被硅油包裹，因此，在维持复合材料电绝缘状态的同时，还解决了液态金属对Al基底的腐蚀问题。

机械搅拌法制备镓铟锡合金非连续分布的PDMS基复合材料示意图（图源：文献2）

2、单向连续分布

单向连续分布是指液态金属具有一定取向的排列特征，在择优取向方向上，液态金属会连续或准连续分布，形成热传导路径；在垂直于连续分布的方向上，液态金属填料会被聚合物分离，而难以形成有效的导热通路，因此复合材料具有各向异性的导热特性。在液态金属体积分数较小的情况下，液态金属复合材料在某一方向上会获得较高的热导率。与非连续分布相比，在定向排列的方向上热量传递更有效，因而使用较少的液态金属就能使某一方向上的热导率显著提升。针对不同的热管理应用场合，可选用不同的制备方法，来实现目标方向上的导热性能强化，对于热界面材料等纵向散热场合而言，可以利用磁场约束，使复合材料的纵向热导率提升，而对于均热板等横向散热的应用场合来说，可利用拉伸或抽滤的方法，使横向热导率提升。

Ralphs等向镓铟锡合金中添加镀Ag的Ni颗粒，由于Ag增加了Ni与液态金属之间的润湿性，因此，两者能更紧密地结合在一起。随后，将该液态金属基混合填料与硅橡胶混合，并将混合物置于磁场中，利用带有磁性的Ni使液态金属混合填料在磁场作用下沿磁场方向纵向排列。当填料体积分数为50%时，所得复合材料的热导率接近6W/(m·K)。

3、三维连续分布

三维连续分布是指液态金属在横向、纵向等多个方向上均呈连续分布且均能提供导热通路，所制成的复合材料具有各向同性的高热导率。在聚合物内部构建液态金属网络，可以在液态金属含量较低的情况下，同时提高多个方向上的热导率，制成的复合材料也因此可以适用于各种热管理场合，具有广阔的应用前景。然而，当前在聚合物基体中构建液态金属三维网络的方法较为单一，多数为模板法，因而会受制于模板，导致制备过程复杂耗时、灵活性不高。因此，找寻更加简单、灵活的液态金属三维网络结构制备方法，是实现高导热、各向同性聚合物基导热材料工业化的关键步骤。

Yao等通过糖模板法制得PDMS泡沫，随后，通过真空处理使镓铟共晶合金渗透到PDMS泡沫中，形成镓铟共晶合金的体积分数为15%的三维网络。在60%的压缩应变下，所得复合材料的面内和面外热导率分别达到4.25W/(m·K)和4.05W/(m·K)，显示出较好的导热性能。

糖模板法制备液态金属三维网络的聚合物基复合材料示意图（图源：文献2）

应用

1、柔性器件

液态金属由于具有较强的柔韧性、出色的流动性等特点，可以大大增强柔性传感器的灵敏度和拉伸极限，在该领域有非常广泛的应用前景。

镓基液态合金具有良好的导热、导电性，对人体无害，其熔点一般低于30℃，饱和蒸气压很低，是一种非常理想的柔性电极材料。相较传统的柔性电极材料，镓基液态合金拥有优良的导电性，柔性电子器材元件的内部电路可以通过设计微流道后以注入液态合金的方式实现。由液态合金材料制成的柔性电子器件即使在发生较大的拉伸、压缩、弯曲及扭绞等情况下，仍然能够保障器件的正常使用，新型的镓基液态合金甚至可以实现自行修复或愈合电路。

2、热界面材料

目前，市面上常用的热界面材料主要为有机硅脂，但其存在热导率较低的问题，一般只有0.2W/(m·K)。而液态金属拥有非常好的导热能力，如镓的热导率为33W/(m·K)，即使被制成有黏附性的热界面材料，其热导率仍可以维持在15W/(m·K)，远高于传统的硅脂材料。液态金属基导热材料性能非常稳定、使用寿命长，无有机物挥发，不会出现传统热界面材料发干、性能恶化的问题，使其在计算机芯片、大功率电子设备、光电器件等先进设备中展现出高效的散热效果及稳定性，有效保障电子器件的稳定运行。

3、循环工质

当空气冷却无法满足电子设备不断增长的发热量时，液冷技术作为一种新颖有效的散热技术应运而生。传统冷却剂的传热性能较差，无法达到电子设备的需求。液态金属因其良好的导电性而能够由电磁泵驱动，驱动效率高，能耗低；与水、油和熔盐等非金属介质相比，液态金属具有更高的导热系数，因此液态金属散热模块可以实现更极致的散热能力；液态金属的理化性能稳定，可以保证散热系统高效、长期、稳定地运行。液态金属不同于水、油等经典流体，其独特之处在于受到非接触电磁力或氧化还原反应诱导的力的作用时，会发生移动和变形。液态金属热回路可通过无运动部件的电磁泵驱动，无噪音，能耗低。导电电磁泵具有结构简单、体积小、成本低等优点，常被应用在液态金属电子冷却系统中，而感应式电磁泵具有体积流量大、不需要大电流低电压的电源等特点，更适用于大型能源系统。

液态金属的广泛应用（图源：文献3）

小结

除了上面列举的几种应用场景，液态金属还可以用作载流润滑剂、磁流体发电、限流器、电驱动器等高温、高压、高导热领域。然而，液态金属目前仍存在一些问题，如材料的可持续性、制备成本较高、材料结合强度、大规模制备等问题需要解决。

参考文献：

1、向刘进.基于液态金属的小通道热沉冷却系统的设计及实验研究[D].哈尔滨工业大学.

2、陈申,苏预达,邢文奎,等.液态金属填充型聚合物基导热材料的研究进展[J].集成技术.

3、李安敏,杨树靖,惠佳琪,等.液态金属的多功能化[J].材料导报.

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5、蓝金凤,李升,梁柳青,等.新型液态合金的研究现状及应用[J].科技创新与应用.

6、江雄,金大元,万云,等.液态金属在电子热控中的应用进展与挑战[J].电子机械工程.

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