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液態金屬

(不定型金屬)

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液態金屬是指一種不定型金屬,液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。
液態金屬成形過程及控制,液態金屬充型過程的水力學特性及流動情況充型過程對鑄件質量的影響很大可能造成的各種缺陷,如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷,都是在液態金屬充型不利的情況下產生的。正確地設計澆注系統使液態金屬平穩而又合理地充滿型腔,對保證鑄件質量起着很重要的作用。單質中只有水銀是液態金屬,是低熔點金屬。
中文名
液態金屬
外文名
liquid metal
特    點
不定型、可流動液體
狀    態
液體
屬    於
金屬
成    分
正離子流體和自由電子氣
缺    點
冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等

目錄

液態金屬特性

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液態金屬在砂型中流動時呈現出如下水力學特性:
1.粘性流體流動:液態金屬是有粘性的流體。液態金屬的粘性與其成分有關,在流動過程中又隨液態金屬温度的降低而不斷增大,當液態金屬中出現晶體時,液體的粘度急劇增加,其流速和流態也會發生急劇變化。
2.不穩定流動:在充型過程中液態金屬温度不斷降低而鑄型温度不斷增高,兩者之間的熱交換呈不穩定狀態。隨着液流温度下降,粘度增加,流動阻力也隨之增加;加之充型過程中液流的壓頭增加或和減少,液態金屬的流速和流態也不斷變化,導致液態金屬在充填鑄型過程中的不穩定流動。
3.多孔管中流動:由於砂型具有一定的孔隙,可以把砂型中的澆注系統和型腔看作是多孔的管道和容器。液態金屬在“多孔管”中流動時,往往不能很好地貼附於管壁,此時可能將外界氣體捲入液流,形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。
4.紊流流動:生產實踐中的測試和計算證明,液態金屬在澆注系統中流動時,其雷諾數Re大於臨界雷諾數Re臨,屬於紊流流動。例如ZL104合金在670℃澆注時,液流在直徑為20mm的直澆道中以50cm/s的速度流動時,其雷諾數為25000,遠大於2300的臨界雷諾數。對一些水平澆注的薄壁鑄件或厚大鑄件的充型,液流上升速度很慢,也有可能得到層流流動。輕合金優質鑄件澆注系統的研究表明,當Re<20000時,液流表面的氧化膜不會破碎,如果將雷諾數控制在4000~10000,就可以符合生產鋁合金和鎂合金優質鑄件的要求。有人通過水力模擬和鋁合金鑄件的實澆試驗證明:允許的最大雷諾數,在直澆道內應不超過10000,橫澆道內不超過7000,內澆道內不超過1100,型腔內不超過280。綜上分析,影響金屬液流動的平穩性的主要因素是金屬液的流動速度和澆注系統的形狀及截面尺寸。

液態金屬研究

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和簡單的非金屬液體有許多共同點,20世紀60年代以來對它研究較多。但人們對它的結構細節仍不清楚。熔融金屬的X射線或中子散射可得其徑向分佈函數g(r),它在平均意義上描述熔體結構。當r<σ(σ為原子有效直徑,圖1),g(r)=0,説明原子似硬球,不能互相貫穿,r大於2~3nm時,原子完全無規排列,g(r)→1。原子周圍最近鄰的原子數叫配位數Z,其中ρ0是熔體粒子數密度。絕大多數金屬熔化時體積約增大5%,原子序數Z減小,金屬鍵不變。少數“反常金屬”(如Ga、Ge、Bi、Sb等)熔化時體積約收縮5%,Z增加,共價鍵部分地變為金屬鍵。各種金屬熔化後結構趨於相近,Z在9~12左右。熔體的Zr1隨温度上升而稍改變,但g(r)基本特點不變。
液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。自由電子受到“贗原子”(它由正離子和起屏蔽作用的自由電子雲組成)的很弱的勢作用。兩個正離子間,除了直接的靜電排斥勢外,還有一種間接的通過自由電子氣而相互作用的勢,上述兩種勢的疊加稱為原子-原子的有效勢φ(r)。理論分析指出:φ(r)在長程內有振盪(圖2)。人們已建立聯繫φ(r)和g(r)的積分方程,可以從φ(r)求解g(r),或從g(r)求期φ(r)。用“硬球模型”可很好地闡明液態金屬的結構和某些熱力學性質。倘若取φ(r)為“硬球勢”,並配以合適的硬球直徑,同樣能得到與實驗一致的g(r)。通過傅里葉變換由衍射強度求得的g(r)總有一定誤差,人們至今不能肯定或否定熔體φ(r)振盪的存在。

液態金屬技術

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中國液態金屬變形技術
《不同構象之間的液態金屬多變形性》論文,揭示出室温液態金屬具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如,浸沒於水中的液態金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形、自旋、定向運動,乃至發生液球之間的自動融合、斷裂-再合併等行為,且不受液態金屬對象大小的限制;較為獨特的是,一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球,變形過程十分快速,而表面積改變幅度可高達上千倍;此外,在外電場作用下,大量彼此分離的金屬液球可發生相互粘連及合併,直至融合成單一的液態金屬球;依據於電場控制,液態金屬極易實現高速的自旋運動,並在周圍水體中誘發出同樣處於快速旋轉狀態下的漩渦對;若適當調整電極和流道,還可將液態金屬的運動方式轉為單一的快速定向移動。研究表明,造成這些變形與運動的機制之一在於液態金屬與水體交界面上的雙電層效應。以上豐富的物理學圖景革新了人們對於自然界複雜流體、軟物質特別是液態金屬材料學行為的基本認識。這些超越常規的物體構象轉換能力很難通過傳統的剛性材料或流體介質實現,它們事實上成為用以構築可變形智能機器的基本要素,為可變形體特別是液體機器的設計和製造開闢了全新途徑。 [1] 
成就
劉靜小組的發現,為可變形材料特別是液體機器的設計和製造邁出了關鍵性的一步,一定程度上從理論和技術的層面論證了實現液態金屬機器人的可能性;事實上,該研究已打開了系列已趨現實的應用範疇,如製造柔性執行器,控制目標流體或傳感器的定向運動、金屬液體回收,以及用作微流體閥、泵或更多人工機器等。若採用空間架構的電極控制,還可望將這種智能液態金屬單元擴展到三維,以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機器;甚至,在外太空探索中的微重力或無重力環境下,也可發展對應的機器來執行相應任務。 [1] 
中國研製出世界首台自主運動可變形液態金屬機器
原標題:中科院與清華聯合研製出世界首台自主運動可變形液態金屬機器
中國科學家造出了世界首台液態金屬機器,這一成就被外媒形容為製造出“終結者”。
據中科院理化所網站,3月3日,由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,在Advanced Materials上發表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文,迅速被New Scientist、Nature研究亮點、Science新聞等數十個知名科學雜誌或專業網站專題報道,在國際上引起重要反響和熱議。
此項研究於世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質後以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動,從而為研製實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為複雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。這是該小組繼首次發現電控可變形液態金屬基本現象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章;Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之後的又一突破性發現。
這種液態金屬機器完全擺脱了龐雜的外部電力系統,從而向研製自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。文章被選為期刊內前封面故事,Altmetric計量學數據顯示其指數已達71.0,遠高於期刊平均值6.7,在同時期論文中則排名No.1。
研究揭示,置於電解液中的鎵基液態合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量,實現高速、高效的長時運轉,一小片鋁即可驅動直徑約5 mm的液態金屬球實現長達1個多小時的持續運動,速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動,又能於各種結構槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是,它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整,遇到拐彎時則有所停頓,好似略作思索後繼續行進,整個過程彷彿科幻電影中的終結者機器人現身一般。
應該説,液態金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主運動,可變形,具備一定代謝功能(化學反應),因此作者們將其命名為液態金屬軟體動物。這一人工機器的發明同時也引申出“如何定義生命”的問題。
實驗室根據上述原理已能製成不同大小的液態金屬機器,尺度從數十微米到數釐米,且可在不同電解液環境如鹼性、酸性乃至中性溶液中運動。試驗和理論分析表明,此種自主型液態金屬機器的動力機制來自兩方面:一是發生在液態合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應會形成內生電場,從而誘發液態金屬表面的高表面張力發生不對稱響應,繼而對易於變形的液態金屬機器造成強大推力;與此同時,上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為,這種能量轉換機制對於發展特殊形態的能源動力系統也具重要啓示意義。
可變形液態金屬機器在內含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形
自主型液態金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達及其驅動流體情形
在迄今所發展的各種柔性機器中,自主型液態金屬機器所表現出的變形能力、運轉速度與壽命水平等均較為罕見,這為其平添了諸多重要用途。作為具體應用器件之一,論文還特別展示了首個無需外界電力的液態金屬泵,通過將其限定於閥座內,可達到自行旋轉並泵送流體的目的,據此可快速製造出大量微泵,滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等,成本極低;若將此類柔型泵用作降温,還可實現高度集成化的微芯片冷卻器;進一步的應用可發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智能機器等。
刊載上述首創性發現的文章在線發表後,短時間內即引起世界範圍內眾多科學雜誌、專業網站和新聞媒體的高度重視。New Scientist在第一時間以文章和精心製作的視頻進行了報道:“液態金屬朝可變形機器人邁進一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“將成為今後電影中人工生命的種子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”;Nature雜誌在其研究亮點欄目以“液態金屬馬達靠自身運動(Liquid metal motor moves by itself)”為題進行了報道;Science網站發佈觀察文章和視頻:“可變形金屬馬達擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”;路透社也對此進行了專門報道。
眾多報道此項工作的科學雜誌或專業網站還有,物理學家組織網站:“可在液體中自行驅動的可變形液態金屬(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”;化學和工程新聞C&EN:“旋轉的液態金屬馬達(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”;Uncover California:“世界首個液態金屬機器人(World's First Liquid Metal Robot)”;Siliconrepublic:“首個終結者型液態馬達問世,具無限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”;鏡報mirror:“真實的終結者1000液態金屬馬達(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”;Popular Science:“終結者智能液態金屬或為新一輪軍備競賽的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”;Space Daily等:“液態金屬機器人幾乎已在這兒,並且他們由中國製造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”;Popular Mechanics:“終結者1000機器人或許就由這種自主行走的液態金屬製成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”;更多網站則紛紛展望了這一開創性技術在機器人、藥物遞送、血管和環境監測等方面的應用前景,認為“機器人工業正邁向不可思議的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”,“顯然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”,“這是許多潛在商業用途的源泉,對於世界各國的工業界和政府會有巨大的興趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。
大家都看過《終結者2》,裏頭的大反派T-1000 液態金屬機器人那幾乎不死的能力讓人不寒而慄
據初步統計,文章發表兩週左右即已有數百個科學或專業網站對此進行了評介和轉載,説明了本項研究工作的影響。
自驅動液態金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念,將顯著提速柔性智能機器的研製進程。當前,全球圍繞先進機器人的研發活動正處於如火如荼的階段,若能充分發揮液態金屬所展示出的各種巨大潛力,並結合相關技術,將引發諸多超越傳統的機器變革。劉靜小組關於液態金屬自驅動效應和相應機器形態的發現,為今後發展高級的柔性智能機器人技術開闢了全新途徑,具有十分重要的科學意義和實際應用價值。 [2] 

液態金屬研發

編輯
2015年3月,由清華大學教授、中國科學院理化技術研究所雙聘研究員劉靜帶領的中科院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質後以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動。 [3] 
參考資料