随着人工智能、大数据中心、柔性电子等前沿技术的迅猛发展，高效散热与柔性集成已成为制约设备性能与可靠性的核心瓶颈。传统热管理材料(如导热硅脂、硅橡胶垫等)因导热系数低、柔韧性不足、长期稳定性差等问题，较难满足新一代高功率密度器件的散热需求。在此背景下，以镓、铟、锡等为代表的液态金属（LM）及其复合材料，凭借其独特的高导热性、高流动性、可变形性、生物相容性等特性，成为热管理、可穿戴设备、柔性显示器等多个领域的关键材料之一。

液态金属CPU散热器产品图（图源：文献1）

什么是液态金属？

液态金属通常指在室温或接近室温下呈液态的金属或合金，如镓、镓铟合金、镓铟锡合金等。它们不仅具备金属固有的导电、导热性能（热导率可达16–40W/(m·K)），还兼具流体的形变适应能力和低熔点特性（可低至8℃），是一类“刚柔并济”的多功能材料。与传统的固体金属不同，液态金属原子排列为“短程有序、长程无序”的非晶态结构，无晶界阻力，声子与电子传递效率高。同时，液态金属可以通过表面修饰、复合改性等方式，进一步调控其在电、热、磁、力等板块的性能，为其在多个领域的应用提供了广阔的设计空间。

液态金属热界面材料系列产品与应用图（图源：文献1）

液态金属复合材料

尽管液态金属自身性能卓越，但其高流动性也带来了易泄漏、难成型、对金属基底有腐蚀风险等问题。为此，研究人员将液态金属与高分子、无机填料等复合，研制出多种高性能、高稳定性的复合材料体系。根据液态金属在基体中的分布形态，主要可分为以下几类：

1、液态金属/聚合物复合材料

这类材料以液态金属为导热填料，硅油、环氧树脂等聚合物为基体，通过物理剪切法、真空搅拌等方法制备而成。液态金属在体系中通常以微米或纳米液滴形式分散，形成“海岛结构”。此类材料热导率显著高于传统硅脂（可达12-34W/(m·K)），能够降低液态金属对金属表面的腐蚀效果，具有良好的热稳定性与使用安全性，已在高性能CPU、LED散热等领域实现应用。

赵涵等人通过聚硅氧烷交联封装技术，成功制备出在85℃/85%RH高温高湿环境下稳定工作超过190小时的液态金属导热膏，热导率保持在12.59W/(m·K)以上，且有效抑制了液态金属对铜基底的腐蚀。

液态金属导热膏扫描电子显微镜（SEM）照片（图源：文献2）

注：(a)(b)分别展示了传统和具有聚硅氧烷封装结构的液态金属导热膏的微观形貌，能清晰呈现液态金属液滴在聚合物基体中的分散状态，完美诠释“海岛结构”

2、液态金属/无机填料复合材料

高性能热界面材料是应对当前数据处理集中化、芯片集成小型化所引发的电子设备散热问题的关键。由于液态金属具备较强的流动性，向液态金属中混入无机填料（如铜粉、铝粉、氮化铝、金刚石等），可以在降低材料的流动性同时，增大材料整体的热导率。

朱晴等发现当使用粒径2.5μm的铜粉，填充量为12%时，铜粉/液态金属导热膏的热导率达34.7W/(m·K)，显著高于市售普通导热硅脂，具有良好的压力与温度稳定性。

液态金属掺杂银粉外观照片（图源：文献2）

3、核壳结构与轻量化复合材料

液态金属不仅可以形成聚合物复合材料和液态金属/无机填料复合材料外还可以形成核壳结构的复合材料。通常，核壳结构属于纳米有序组装结构，是通过化学键或其它力将一种微纳米材料与另一种材料包覆而成。由于其独特的结构特征，核壳结构将内外两种材料的性能结合在一起，弥补彼此的不足。针对液态金属易氧化、与基体相容性差等问题，就可以通过核壳封装来解决。Yao等通过表面自组装在镓铟共晶合金液滴表面形成致密铜壳，既防止氧化，又提升了界面相容性与导电性。此外，通过中空玻璃微珠等轻质填料与液态金属复合，还可制备出密度低于水、仍保持良好导热导电的轻量化液态金属，在航空航天、水下机器人等领域具有相当的应用潜力。

具有核壳结构的液态金属复合材料（图源：文献3）

应用领域

1、先进热管理

利用液态金属复合材料的高导热性、化学稳定性、流动性等特性，可以有效突破现有热管理技术在应对高热流、瞬时大热量冲击等方面的瓶颈，为大功率高热流芯片与装备、全新一代燃气轮机与航空发动机等的提供关键材料支撑。包向忠等研究表明，镓基液态金属纳米流体在401–598K范围内仍保持优异热导率，尤其适用于数据中心服务器的高效液冷系统。

2、3D打印及印刷电子

传统电子制造工艺极为繁杂，其涵盖了基底材料的制备，到实现互连所必需的薄膜沉积、精细刻蚀及封装等诸多环节，在此过程中，大量的原料被消耗，能源也被大量使用。而现在，液态金属为电子器件现场制造提供了一种新思路，设计人员只需要利用液态金属打印技术便可实现电子装备在现场的快速制造和快速修复，实现电阻、电容、电感等功能器件的全打印，大大提升了电子化装备应对复杂环境变化的快速反应能力。

液态金属电子电路打印机及柔性电路制造（图源：文献1） 

3、脑机接口及生物医学

液态金属良好的生物相容性、导电导热性、可注射成型能力，使其在脑机接口、血管栓塞、骨修复等生物医学领域展现出独特优势。如在人脑（或动物脑）与外部设备之间建立柔性的连通管路，实现大脑对复杂任务的指挥控制；通过脑机接口，实现大脑之间信息的直接提取、准确交换。其低模量、高导电的特性，尤其适合作为长期植入的柔性脑机接口电极材料。

液态金属骨科外固定支具及临床应用图（图源：文献1）

小结

液态金属复合材料正处于从实验室走向产业化应用的关键阶段，我国已建立起从基础研究、标准制定到产业孵化的完整体系。然而，在实际的应用过程中，液态金属复合材料仍有一些问题亟待解决，如高温高湿环境下的氧化、渗漏、基体老化问题；界面优化与规模化制备问题；多场景适用性问题。但相信随着国家对新材料产业的重视与支持力度持续加大，液态金属复合材料有望在“十五五”期间实现更广泛的技术突破与产业应用，为我国在高端电子、能源装备、生物医疗等领域的创新发展提供关键材料支撑。

参考文献：

1、邓中山.液态金属前沿研究及产业发展建议[J].前瞻科技.

2、梁清泉等.镓基液态金属复合材料在热界面材料领域的研究进展[J].广东化工.

3、艾立邦.液态金属复合材料的制备与应用[D].南京邮电大学.

4、赵涵,沈君,王志腾,等.一种具备高温高湿稳定性的液态金属导热膏的制备和性能研究[J/OL].东华大学学报(自然科学版).

5、包向忠,杜海怡,施娟,等.适用于数据中心的液态金属新型工质热物性研究[J].建筑科学.

6、朱晴,王梦婕,张灿英,等.铜粉/液态金属导热膏的制备及其导热性能[J].青岛科技大学学报(自然科学版).

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