新型合金材料——什么是液態金屬、液態金屬的定義、發展以及用途

液態金屬是什么？液態金屬，它也被稱為塊狀非晶，原子呈無序排列，無晶界，微觀結構均勻，無析出相。液態金屬和傳統金屬有什么不同？液態金屬與傳統金屬相比之下，傳統金屬原子呈有序排列，有晶界，有析出相，微觀結構不均勻。而金屬材料的性能大多由內部結構決定。作為新時代最火的新型材料，液態金屬可以說受到了廣泛的關注。下面賢集網的小編就來為大家介紹一下，液態金屬是什么、液態金屬的定義、發展以及用途。

液態金屬的定義

即非晶態金屬，有時又稱作“金屬玻璃”，普通金屬(合金)一般為晶態結構，而液態金屬即為非晶態結構。

在介紹液態金屬前，首先要強調的是，事實上現在我們所遇見的很多奇怪的金屬合金實際上是由不同名稱描述的相同材料。例如，Liquidmetal Alloys，Vitreloy，無定形金屬和金屬玻璃基本上指的是同一類別的新型金屬，它們呈現非晶態的原子結構排列。要了解這些材料是什么，更重要的是了解如何更好地使用這些材料，首先必須了解“冶金”領域的一些基本原理。

金屬合金具有一個共同的特性：具有原子結晶結構；即它們的原子被排列成自然有序的圖案，并且這些排列也代表著材料的最穩定的結構(嘗試搖晃一個充滿球形大理石的玻璃瓶一段時間，然后靜置并觀察這些大理石球體緊密的排列)。

金屬的結晶結構在加工和機械性能方面都是優缺點摻半的。這些材料展示了廣泛的應用趨勢，但是同樣應用也會受到限制。例如，金屬的熔融溫度通常是與其硬度成正比的，材料的強度通常與其延展性成反比的。而這意味著具有低熔點(易于鑄造)的合金通常是柔軟的，低強度的；而具有高熔點的合金(不能很容易鑄造)通常是硬的，高強度的和脆性的。

這些規則近幾個世紀以來控制著金屬合金的發展，并解釋了特定應用材料之間的競爭。例如，如果想要使用一種金屬，你可能會在鋁合金，鈦和鋼之間搖擺不定。

鋁合金可以鑄造成網狀，這能降低生產成本，但是很容易劃傷且太柔軟。鋼板可以耐沖壓并且非常耐刮擦，但是鋼比鋁更致密，使得其更重。

鈦合金的密度低，強度高，但同樣的熔點高，不易加工或鑄造，此外其價格還比鋼或鋁貴。這時在使用中就必須對金屬合金進行權衡，這個過程也稱為“機械設計的材料選擇”。

那么，現在如果開發的金屬合金不再受金屬結晶的典型趨勢的限制呢？

那么這樣的金屬就可以在具有低熔融溫度方便鑄成網狀的同時還能具有中等密度，并保持著鋼的高強度和耐劃傷性。該種材料最先由美國加州理工的Duwez教授在1960年用快淬工藝制備得到，當時得到的是Au-Si非晶合金。這種材料的關鍵形成條件在金屬熔體的冷卻過程中讓其冷卻速率足夠大，熔體處于過冷狀態，此時金屬熔體的剪切粘度會急劇增大，導致傳質過程困難，結晶反應被抑制乃至避免，熔體中的原子來不及進行規則排列(結晶)而形成獨特的短程有序，長程無序的原子排布，也就是非晶合金。

通過圍繞深熔點(也稱為“共晶體”)合金組成的設計，可以將合金從液態(其中不存在晶體結構)冷卻至室溫而不形成晶體結構(因為晶體的形成需要時間，類似搖玻璃瓶)。通過快速冷卻，可以將“液態”原子結構捕獲到非結晶(或“無定形”)固體中，產生一類新的金屬合金，就稱為非晶金屬或液態金屬。

液態金屬材料的應用領域十分廣闊，但目前整個市場應用還處于起步階段。有些的公司成功突破了材料改性技術，制造出了不同熔點、不同粘度、不同熱導率/電導率以及不同物理形態的液態金屬材料，受到了國內外知名企業的青睞。

液態金屬的發展

隨著現代技術的發展，電子產品體積越來越小，對傳熱、散熱的要求也越來越高，能否打破傳統模式，用具有優異導熱特性的液態金屬來傳熱、散熱呢？從產生這一想法，到最終研發出液態金屬材料及應用產品。

液態金屬材料的應用領域十分廣闊，但目前整個市場應用還處于起步階段。依靠強大的研發團隊，態金科技成功突破了材料改性技術，制造出了不同熔點、不同粘度、不同熱導率/電導率以及不同物理形態的液態金屬材料，受到了國內外知名企業的青睞。

液態金屬的強度：

a 、強度是不銹鋼的3倍，推薦安全使用強度1500Mpa。

b 、無塑性變形，確保成型與使用尺寸精度。

液態金屬的彈性：

(1)、彈性應變能量：

最好的彈簧鋼：2.2MJ/m2

液態金屬：19MJ/m2

(2)、彈性形變 εel (%)：

不銹鋼：0.2

液態金屬：2

液態金屬的硬度：

液態金屬的硬度很高，成型后不需要做任何表面強化處理，表面硬度可以達到維氏硬度480-520HV(相當于洛氏硬度約50HRC)，達到了鋼材熱處理硬化后的標準，可以直接用于許多硬度要求高的地方。

液態金屬的耐磨性：

液態金屬耐磨性能好，按照同樣的方式進行耐磨實驗，幾乎沒有的體積和質量損失。

液態金屬的尺寸精度和尺寸穩定性：

良好的尺寸精度和穩定性，滿足復雜結構零件制造要求；產品縮水率約0.3%，相對于不銹鋼MIM的縮水率17%-20%是很微小的，壓鑄成型后尺寸精度高，穩定性好，平面度高；產品通過模具型腔一次成型，產品公差通過模具精度來保證，產品尺寸精度一致性好；壓力鑄造，保證產品的致密性和優越性能；產品成型后，不需要熱處理來保證性能，避免了因熱處理造成的翹曲變形，尺寸變化；產品一旦成型，強度高，硬度高，后工序處理不會對產品尺寸造成不良影響，尺寸穩定性好。

液態金屬良好的表面光潔度：

液態金屬能夠完全復制模具表面的光潔度和紋理；精細的模具表面光潔度可以得到好的產品表面光潔度，最好可以得到Ra0.2μm；表面光潔度的完全復制是非晶材料獨有性能，其他材料無法實現的；

非晶壓鑄過程中使用脫模劑的量很少，也是表面光潔度高的原因之一。

液態金屬的可批量壓鑄性與可重復性：

液態金屬熔化溫度836℃，在工藝上壓鑄可以實現；真空壓鑄條件保證壓鑄過程快速流動，實現充型；型腔模具生產，保證復雜產品一次整體成型，實現產品批量生產創造價值；小件多腔的模具設計，保證產品尺寸精度的同時，實現批量快速生產；壓力鑄造，保證產品的致密性和優越性能；壓鑄環境清潔，無污染產生；輔助設備使用，如機器人取代人的操作，安全生產；相對于不銹鋼而言，液態金屬具有密度小，強度高等性能，可以壓鑄相對復雜的結構件，達到簡化生產工藝、快速量產；實現產品尺寸穩定、可重復生產、輕量化。

液態金屬常溫下呈液態，有金的光澤、銀的質感，聚如流水，散若珍珠。

液態金屬的機械性能：

使Liquidmetal與其它所有的晶體相材料不同的是其獨特的加工和機械性能的結合。 像鋁，鎂和鋅合金，Liquidmetal也可以很容易地從液體鑄造成非常復雜的網狀。 然而不同于那些合金，鑄造的液態金屬部件是硬的，高強度的，并且可以具有光澤的表面光潔度。

由于其玻璃狀(無定形)結構，液態金屬合金具有與高碳鋼(1.9GPa，270Ksi壓縮屈服強度)相當的強度，極好的耐腐蝕性(由于堅固的鈍化層)，高硬度(Vickers 550，HRc 51)和中等密度(6g / cm 3)。 這些顯著的性能結合使得Liquidmetal備受關注; 它們可以像塑料一樣鑄造成復雜的網狀部件，同時具有類似于剛出模具的鈦合金的最佳機械性能。結晶鋼和鈦合金由于其高熔點而不易鑄造，并且必須負以巨大的加工成本才能形成復雜的網狀。

Liquidmetal Technologies及其與Visser Precision Casting(VPC)認證的Liquidmetal的合作伙伴關系，開發了一種鑄造工藝，通過該鑄造工藝，可以在單一的高噸位工藝中制造具有高光澤金屬光潔度的高公差零件，為無數的潛在商業應用打開了大門。

液態金屬合金的用途

盡管Liquidmetal合金代表了金屬合金可以使用的完美轉化方式，但它們依然具有最適合的特殊應用。 實際上從來沒有一種單一的材料解決方案來解決一個特定的工程問題，但是每個應用程序都有一個材料，它是成本，屬性和處理方式的最佳組合。依據其加工或機械性能識別液態金屬合金優于其替代材料的應用是制造成功產品的關鍵。 相比之下，了解他們的弱點也很重要。 畢竟，從來沒有一種可以用于所有應用的材料。

液態金屬合金最常見的應用是用于高溫環境，例如由于其高強度和網狀鑄造能力用于發動機部件。這是對新型高性能材料的普遍需求，但由于液態金屬合金的設計使其熔化溫度盡可能低，從而可以形成盡可能厚的玻璃相，從而形成劣勢。

液態金屬合金永遠不能在其玻璃化轉變溫度條件下使用，否則它們將開始流動并最終結晶。 盡管從合金到合金有一些變化，但是液態金屬合金通常在低于250°C(482°F)的情況下連續使用。

當選擇使用液態金屬合金時，需要考慮的是要求的材料的大小或數量。就像應用于高溫環境下，液態金屬的機械性能也受到結構部件的誘導。同樣的也有許多有關橋梁建造，汽車甚至建筑物使用液態金屬合金的文章。最重要的是要考慮這些合金不是在高性能結構應用中鋼鐵和鋁的替代品，而是由于它們的成本和尺寸的限制。液態金屬只能制成幾毫米厚的零件。大型結構構件，如建筑物I型梁，是不可能制造的。在毫米厚度上使用液態金屬合金制造大型面板或片材是有可能的，但這項技術目前還在開發中，至少目前給出的資料還沒有顯示這方面的成功應用。此外，液態金屬合金用于汽車保險杠，飛機面板和船舶用能量吸收結構都是目前可用技術不可能實現的巨大應用。

通過考慮以下四個方面可以找到液態合金的最佳應用：

(1)、可以用金屬替代的小塑料部件。

(2)、可以用網狀鑄件代替的加工金屬部件。

(3)、使用結晶金屬或塑料不能獲得相應的機械性能。

(4)、高附加值部件。因為液態金屬合金的密度和強度與晶體鈦合金相似，所以可以考慮用可鑄造，而不是加工零件替代鈦合金。

用液態金屬代替小塑料部件：對于要用金屬代替的塑料，必須有原因。塑料便宜，極易鑄造，相當耐用。不幸的是，在許多應用中，塑料太軟，強度低，并且不耐用。此外，塑料的光潔度永遠不會像消費品中的拋光金屬一樣有光澤。電子外殼(手機，筆記本電腦，相機，視頻游戲等)是最有說服力的例子。液態金屬合金可以像塑料一樣，精確鑄造，并且具有金屬耐久性和光澤表面的附加優點。然而，這種應用的推廣必須考慮到成本的折衷。如果零件的銷售成本遠遠超過材料成本，那么與標準塑料相比，該部件的光滑金屬表面可能是有益的。然而，對于低成本零件，如塑料兒童玩具，液態金屬合金不是很好的選擇。

用鑄造液體金屬代替的加工金屬部件：當金屬部件(如鉸鏈，緊固件或小型電子部件)必須由一片金屬加工成型時，液態金屬合金的應用就顯得非常必要。 鋼制沖壓技術在制備復雜的金屬零件方面表現優異，但往往不能達到小零件所需的公差。 金屬部件需要螺紋孔，法蘭或輪廓，不能另外進行沖壓。如果金屬部件必須進行加工時，只要工作溫度相對較低，就可以使用液態金屬合金替代。

機械性能不能從除液態金屬合金外的金屬獲得：液態金屬合金的最佳應用是利用合金的獨特機械性能及其加工能力。以高爾夫球桿為例，液態金屬合金高爾夫球桿可以在單一加工步驟中鑄造，但具有超過所有競爭對手(包括鋼和鈦)的彈性模量和強度。

加固型案例是屬性和加工處理結合的另一種理想應用。液體金屬外殼可以鑄造成具有完美表面光潔度的網狀，同時也具有耐劃傷性和耐用性。如果金屬部件難以加工，需要高拋光，需要耐刮擦，具有復雜的特性，受到腐蝕性環境影響或需要高彈性，那么液態金屬是這個部件替代物中最好的候選者。

高附加值液態金屬部件：這是指產品的成本大大超過材料成本(通常需要某種特殊工藝或具有獨特應用)。液態金屬合金在這些領域已經有很多成功的應用，包括手表，珠寶，高端案例和牙科設備。

而銦作為液態金屬的主要成分之一，地殼儲量僅為黃金的六分之一，被列為稀有金屬。液態金屬電子電路打印機完全改變了傳統模式，使得在極低成本下快速、隨意地制作電子電路成為現實。

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總結

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