镓基液态金属-编制说明

1998年微　细　加　工　技　术№.3第3期M icrofab ricati on T echno logy1998镓液态金属离子源的制备董桂芳　袁忠远　汪健如　应根裕　张克潜(清华大学电子工程系,北京100084) 【摘要】　镓液态金属离子源广泛应用于聚焦离子束技术,本文介绍了一种利用电子轰击的方法制备镓液态金属离子源的工艺和设备,测试了源的I2V发射特性曲线,d I dV≈0105(ΛA V),进行了新旧工艺下电流发射稳定度的比较,最佳源发射稳定度大于95%,寿命大于1000小时。

关键词:液态金属离子源;聚焦离子束;微细加工1　引　言镓液态金属离子源是重要的高亮度离子源之一,目前它在聚焦离子束微细加工、显微、质谱分析等领域中应用很多。

但是,制作实用、发射稳定、寿命长的镓离子源却很困难。

离子源的特性决定聚焦离子束的性能,从而决定微细加工和微区分析的精度,所以研制稳定发射的镓液态金属离子源很有意义。

制备镓源的关键是挂镓工艺,即如何将镓液很好地浸润在作为发射尖的钨丝上且形成连续光滑的薄膜。

从理论上讲纯净的钨表面是能够与液态镓很好浸润的,但在实际的加工过程中,由于钨表面的氧化及污染,很难将纯净的钨表面在挂镓操作的过程中暴露出来与液态镓浸润。

因而挂镓工艺的主要问题转化为如何将纯净的钨丝表面与镓液充分浸润。

2　真空中洁净钨丝钨丝表面不纯净主要是有碳膜、油污和致密的氧化钨膜,其中碳膜和油污可以很容易地通过电解腐蚀和超声波清洗等方法去掉,难以去除的是氧化钨膜。

为此,我们将利用真空中高温加热的方法剥离氧化钨膜。

考虑到剥离之后的钨丝仍暴露在真空残余气体中,为了在钨丝浸入液态镓之前,使尽可能少的气体分子吸附于钨表面,应有合适的加热温度和真空度。

为了方便,下面只考虑其中的氧气成分。

氧分子在钨表面平均吸附时间为:Σ=Σ0exp(E d R T),其中,Σ0为吸附态分子垂直于表面的振动时间;E d为脱附能;R=11987(cal m o l・K),为气体常数;T为绝对温度。

提到液态金属，同学们通常会联想到科幻电影《终结者2》里不苟言笑的机器人杀手T-1000。

他能聚能散，能屈能伸：上一秒是一摊铁水，下一秒就变成冷酷猛男。

他能隐形，拦不住、甩不掉，“液态金属”似乎和阴魂不散画上了等号。

从形态上看，这液态金属就像几十年前人们常用的体温计里装的汞，也就是我们常说的水银。

如今，随着人们对汞的危害了解增多，以汞为原料的体温计逐渐退出了家庭。

如果你现在还想买液体体温计，也许能遇上我们本期的主角——镓（jiā）。

镓是化学史上第一种先由理论预言，而后在自然界中被发现验证的化学元素。

1871年，编制了世界上第一张元素周期表的俄国化学家门捷列夫根据自己总结的元素周期规律，提出了一个预测：自然界中存在一种原子量大约是68、密度5.9g/cm 3、性质与铝相似的元素，它应被排列在元素周期表中铝元素的下方。

门捷列夫的这一预测，在1875年被法国化学家布瓦博得朗证实。

他在观察从闪锌矿矿石中提取的锌的原子光谱时，发现了一条新的紫色色带，他意识到，这条色带对应着一种未知的新元素。

布瓦博得朗提取并提纯了这种新的金属，并证明了它的性质确实与铝相似。

这种元素被布瓦博得朗以祖国法国的曾用名“高卢”命名，中文写做“镓”。

镓在自然界中“隐藏”得很深，它熔点仅有29.78℃，沸点却高达2403℃，因此多数时候都以液体的形态在各类物质中四处“游荡”，很少独立存在。

镓在铝土矿、闪锌矿、黄铁矿等矿石中含量很少，只有化学家们在高温灼烧矿石时，它才会以化合物的形式挥发出来，还要经过多种提纯手段精炼，才能得到纯粹的镓。

如果没有门捷列夫的预言，也许镓的真面目还不能那么快被揭开。

《终结者2》里神通广大的机器人杀手能随心所欲地变成任何形状，甚至可以穿墙入室完成任务，被武器击毁后也能自动愈合，简直让人束手无策。

如果现实中人们也要造这液化的镓具有流动性机器人杀手T-10009CCopyright ©博看网. All Rights Reserved.样一个机器人，那么镓无疑是目前能找到的最适宜的材料。

第三单元综合素质评价一、选择题(本大题包括12小题，每小题1分，共12分。

每小题的4个选项中只有1个符合题意)1．微粒构成物质，千差万别的物质形成了丰富多彩的物质世界，下列关于微粒的叙述不正确的是()A．微粒有大小B．微粒有质量C．微粒间有间隔D．微粒不运动2．臭氧(O3)、二氧化氯(ClO2)、过氧化氢(H2O2)等都是生产、生活中的消毒剂，这三种物质中都含有()A．氧分子B．氧离子C．氧气D．氧元素3．下列有关分子和原子的一些说法正确的是()A．空气是由空气分子构成的B．气体可以压缩是因为分子的大小可变C．原子核由质子、中子和电子构成D．分子是由原子构成的4．2021年4月，我国科学家首次合成的铀－214，是目前已知质量最小的铀原子。

其相对原子质量为214，核外电子数是92。

则铀－214原子的中子数为()A．122 B．92 C．214 D．306 5．用分子的观点解释下列事实，其中不正确的是()A．水沸腾后壶盖被顶起——温度升高，分子体积变大B．春天百花盛开，花香四溢——分子在不断地运动C．50 mL水和50 mL酒精混合，液体总体积小于100 mL——分子之间有间隔D．水和二氧化碳化学性质不同——分子构成不同6．【2021·安徽】关于原子序数为8的元素，下列说法正确的是() A．元素符号为N B．属于金属元素C．在地壳中含量最多D．原子核外电子数为107．【2021·自贡】化学能指导我们更好地认识、改造、应用物质。

下列物质属于纯净物的是()A．果汁B．医用酒精C．水泥砂浆D．冰水混合物8．【原创】2021年中国科学技术大学一联合研究组研制出一种镓基液态金属人工肌肉，为开发基于低功率驱动器的机器人系统铺平了道路。

镓原子的结构示意图与镓元素在元素周期表中的相关信息如图所示，下列说法不正确的是()A．镓元素属于金属元素B．镓的原子质量为69.72C．镓原子的核电荷数是31D．镓元素的化学性质与铝元素相似9．卢瑟福用α粒子轰击金箔后发现，大部分α粒子直线穿过金箔，少部分α粒子有偏转，极少数α粒子有较大偏转，乃至被弹回。

第1部分化学品及企业标识化学品中文名：镓化学品英文名：GalliumCAS号：7440-55-3分子式：Ga分子量：69.72产品推荐及限制用途：工业及科研用途。

第2部分危险性概述紧急情况概述：可能腐蚀金属。

吞咽有害。

对水生生物有害并具有长期持续影响。

GHS危险性类别：金属腐蚀物类别1急性经口毒性类别4危害水生环境——长期危险类别3标签要素：象形图：警示词：警告危险性说明：H290可能腐蚀金属H302吞咽有害H412对水生生物有害并具有长期持续影响防范说明：•预防措施：——P234只能在原容器中存放。

——P264作业后彻底清洗。

——P270使用本产品时不要进食、饮水或吸烟。

——P273避免释放到环境中。

•事故响应：——P390吸收溢出物，防止材料损坏。

——P301+P312如误吞咽：如感觉不适，呼叫解毒中心/医生——P330漱口。

•安全储存：——P406贮存于抗腐蚀带抗腐蚀衬里的容器中。

•废弃处置：——P501按当地法规处置内装物/容器。

物理和化学危险：可能腐蚀金属。

健康危害：吞咽有害。

环境危害：对水生生物有害并具有长期持续影响。

第3部分成分/组成信息第4部分急救措施急救：吸入：如果吸入，请将患者移到新鲜空气处。

皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。

如有不适感，就医。

眼晴接触：分开眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。

立即就医。

食入：漱口，禁止催吐。

立即就医。

对保护施救者的忠告：将患者转移到安全的场所。

咨询医生。

出示此化学品安全技术说明书给到现场的医生看。

对医生的特别提示：无资料第5部分消防措施灭火剂：用水雾、干粉、泡沫或二氧化碳灭火剂灭火。

避免使用直流水灭火，直流水可能导致可燃性液体的飞溅，使火势扩散。

特别危险性：无资料灭火注意事项及防护措施：消防人员须佩戴携气式呼吸器，穿全身消防服，在上风向灭火。

尽可能将容器从火场移至空旷处。

处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中发出声音，必须马上撤离。

第37卷第1期高分子材料科学与工程V o l .37,N o .1 2021年1月P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N GJ a n .2021聚合物/镓基液态金属复合材料的研究及应用进展王曦宇1,李 科1,2,王源升1,2,张爱民1(1.高分子材料工程国家重点实验室四川大学高分子研究所,四川成都610065;2.海军工程大学舰船与海洋学院,湖北武汉430033)摘要:液态金属(L M )是一种在常温下呈液态,由金属或其合金掺入改性剂复合而成的材料㊂由于兼具金属优秀的导电性㊁导热性和流体的流动性,近年来液态金属成为材料领域内的研究热点,尤其是在柔性电子应用领域备受关注㊂文中主要以镓基液态金属为描述对象,综述了液态金属主要特性,分析了液态金属复合材料聚合物基体的选择情况,介绍了液态金属柔性电子材料的制备方法以及主要应用背景㊂最后,总结了液态金属的研究现状并展望了未来的发展前景与面临的挑战㊂关键词:液态金属;聚合物;柔性电子;应用;进展中图分类号:T B 333 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2021)01-0327-08d o i :10.16865/j.c n k i .1000-7555.2021.0025收稿日期:2020-10-24基金项目:国家重点研发项目(2017Y F C 1104801)通讯联系人:王源升,主要从事聚合物加工和改性研究,E -m a i l :s k l p m e ys w@s c u .e d u .c n ;张爱民,主要从事聚合物加工和改性研究,E -m a i l :z h a n ga i m i n @s c u .e d u .c n 科技的发展带来了智能科技领域对电子皮肤㊁可穿戴设备㊁软体机器人等柔性电子器件的巨大需求,柔性导电材料逐渐进入人们的视野并成为了相关学者的研究热点㊂通常柔性导电材料主要是通过引入功能性导电填料或使柔性高分子材料本身导电㊂目前,柔性导电材料导电部分主要包括以下四大类:(1)金属材料(金㊁银㊁铜等)以及他们的纳米材料如银纳米线㊁银纳米薄片等;(2)纳米无机材料(石墨烯㊁碳纳米管㊁导电炭黑等);(3)导电聚合物(聚苯胺㊁聚吡咯㊁聚噻吩);(4)离子液体等体系㊂液态金属作为一类兼具液体流动性和导电性的材料,更适用于制作柔性导电材料㊂早在1875年人们便开始了对镓基液态金属的研究,直至现在,该材料在柔性电子材料领域也备受关注[1]㊂在柔性电子材料的导电填料中,液态金属因具有良好的流动性,相较于常规导电材料,展现出了明显的优势㊂固体金属填料或无机纳米粒子的弹性模量通常与所附着的柔性基体的模量不一致㊂这不仅会使材料本身力学性能受到影响,而且也会对复合材料的填料与基体间界面的力学性能和导电性能产生不利的影响㊂在较大的形变下,导电通路的电学性能会受到较大影响,甚至会变为绝缘体㊂液态金属常温下呈现为液态,将其与柔性基材复合时,会伴随着基材的形变产生相应的形状变化,相较于固体填料而言,具有更好的可塑性㊂此外,将液态金属作为柔性填料还可以大大增加硅橡胶等弹性体的缺口不敏感性,阻止材料受损时的缺口横向扩展[2]㊂离子液体与液态金属相似,为一种流动性较好的导电流体,但其制作而成的电子器件极容易受湿度㊁温度和外力的影响,而液态金属不但导电性能明显好于离子液体,还有更好的稳定性和耐久性㊂虽然液态金属在导电率㊁柔韧性㊁实用性等方面都有着有独特的优势㊂但是,液态金属存在表面张力大㊁在基体上铺展性差㊁表面电路较脆弱易受到破坏等缺陷,使得其应用受到了限制㊂与此同时,液态金属的价格大大高于铜㊁铝等常规导电材料,昂贵的成本也是限制其发展的重要原因之一㊂镓基液态金属作为所有液态金属中生物相容性最好的类别,其流动性㊁导电性和导热性等一系列理化性能也不逊于别的液态金属,这使得镓基液态金属成为了液态金属中最适合推广的种类㊂本文综述了液态金属的综合特性,分析了柔性导电材料的聚合物基体的选用原则,阐述了液态金属柔性电子材料的加工方法及应用场景,并根据其研究现状和特点展望了液态金属的未来发展趋势㊂1 液态金属的特性室温液态金属主要有汞(熔点-38.8ħ)㊁镓(熔点29.8ħ)㊁铷(熔点38.9ħ)㊁钫(熔点27ħ)和铯(熔点28.40ħ)5种金属,其中汞(俗称水银)是日常生活中最常见的液态金属,但易挥发(蒸汽压:42ħ)和剧毒是汞的两大致命缺陷,极大地阻碍了它的发展㊂而铷㊁钫㊁铯3种金属由于具有较强的放射性也难以得到广泛应用[3]㊂T a b .1 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f g a l l i u ml i qu i dm e t a l [5]P r o pe r t i e s G a l l i u m G a I n 24.5G a 68.5I n 21.5S n 10M e l t i n gp o i n t /ħ29.815.5-19B o i l i n gp o i n t /ħ22052000>1300V a p o r p r e s s u r e /P a 10-35(29.9ħ)N /A 1.33ˑ10-6(500ħ)D e n s i t y /(g ㊃c m -3)609362806440T h e r m a l c o n d u c t i v i t y/(W ㊃m -1㊃K -1)29.326.616.5E l e c t r i c a lc o nd u c t i v i t yˑ10-6/(S㊃m -1)6.733.43.46V i s c o s i t yˑ103/(M P a㊃s -1)1.371.992.4相比于其他液态金属元素,金属镓及其合金对生物体表现出了低毒性,且有报道称镓可用于治疗人体的肿瘤[4]㊂此外,其优秀的电导率㊁导热能力㊁良好的流动性㊁化学稳定性和生物相容性等一系列优良特性也促使镓成为备受关注的导电功能材料,T a b .1展示了液态金属镓及其合金的主要物理性质㊂本文主要围绕镓及其合金的研究和应用进展展开论述㊂1.1 电学特性液态金属具有优良的电学特性[6],在一定的应变下,其导电能力甚至比银纳米线和碳纳米管都要高(F i g.1)㊂添加其他金属材料可以改变液态金属的电导率,可以通过调整添加的金属含量来针对性地改变液态金属的电导率从而满足生产或研究需求㊂特定金属材料的引入还会产生一些独特的性能,例如加入铁磁性的铁或镍金属微粒不但可以使液态金属复合材料具有磁响应性能,且由于柔软液态金属与硬的铁㊁镍微粒的共存还能使其具有正的压电性㊂与常见金属发生形变时电学特性相反,电阻随着材料的机械变形(包括拉伸㊁压缩㊁弯曲和扭曲)而呈指数级下降㊂使用不规则镍金属颗粒填充的液态金属复合材料,当拉伸应变小于20%时,其电阻率可降至初始值的千万分之一[8]㊂另外,将液态金属与银纳米片/微粒相复合,在高拉伸柔性电路㊁可穿戴生物燃料电池等研究中取得了较好的应用效果㊂F i g .1 C o m p a r i s o no f c o n d u c t i v i t ya t t h em a x i m u ms t r a i n o f v a r i o u s s t r e t c h ab l ec o nd u c t o r s[7]F i g .2 S c h e m a t i c o f d a m a g em e c h a n i s m s o f p o l ym e rm a t r i x e sw i t hd i f f e r e n t f i l l e r s (a ):n o f i l l e r ;(b ):r i g i d i n c l u s i o n s ;(c ):l i qu i d i n c l u s i o n s [2]823高分子材料科学与工程2021年1.2 流动性制备柔性导电材料通常要求导电材料柔韧且具有一定的大形变能力,相比于坚硬且脆性的传统金属,液态金属因其较好的流动性而具有独特的优势㊂液态金属本身具有流动性和较低的黏度,将液态金属作为改性填料掺入柔性聚合物中,液态金属能够随着基体的形变而重新定向(F i g.2),并且能够影响大形变情况下柔性基体的损伤机理,使聚合物基体产生对缺口不敏感的特性,降低应力集中的危害㊂镓基合金的动态黏度相对较低(2.22m P a ㊃s)[5],因此,在较大的温度范围内,液态金属能够像水一样流动㊂液态金属的优异流动性使其适合应用于导电墨水㊁柔性印刷电路等行业,可以直接印刷在聚氯乙烯(P V C )㊁聚二甲基硅氧烷(P D M S)等基材㊂此外,液态金属的流动性允许其通过注射加工的方式填充微流体通道并形成复杂电路㊂1.3 生物相容性相较于其他液态金属,镓基液态金属对人体而言几乎可以说是无毒无害,表现出了一定的生物相容性,有望将其应用到生物材料领域㊂镓基液态金属能够作为药物的运输载体,将药物输送到人体肿瘤细胞㊂在运输过程中因其具有生物相容性,而不会对人体造成危害㊂但当运输药物的镓基液态金属到达肿瘤组织后,镓基液态金属能够与肿瘤中的酸性物质反应,生成镓离子,不但会引起药物载体的损失,也有可能给人体造成潜在的健康威胁㊂为了解决上述问题,H u 等[4]将多孔二氧化硅与生物质酸包覆在液态金属表面,保护了液态金属不被破坏,保证药物的顺利释放㊂F i g .3 L Ms h o w i n g d i f f e r e n t s t a b l e s h a p e s i n a i r o w i n gt o t h e e x i s t -e n c e o f t h e o x i d e l a ye r s [14]1.4 氧化特性液态金属镓与氧气接触时,会迅速生成一种主要由镓的氧化物(G a 2O 3)组成的薄膜 壳层 [9~11],其厚度在理想环境下能达到1纳米左右,在自然环境中约为3纳米[12]㊂这层氧化膜可以防止液态金属的进一步氧化,提高了液态金属电子器件的环境稳定性[13]㊂M i c h a e l 团队[14]最早提出将镓基液态金属表面稳定的氧化物薄膜运用在3D 打印技术中,使液态金属微粒呈三维堆叠连接(F i g .3),制备可重构电路㊂氧化物薄膜的存在不仅会降低其表面张力,而且随着氧化物比例的增加,能够改善液态金属与基底之间的润湿性㊂固态的氧化镓壳层还提供了丰富的加工和修饰平台,利用化学修饰可在其表面附着一些功能化物质,例如用银氨还原法在液态金属氧化壳层表面形成纳米银制备实时自修复电路[15]㊂此外,氧化壳层表面对羟基㊁巯基等有较强氢键作用,因此可以利用含羟基㊁巯基的聚合物或有机分散剂使液态金属均匀分散,也可以通过基团与液态金属的相互作用增强液态金属与聚合物基体的结合力[16,17]㊂防止液态金属氧化需要将氧的浓度降低到大气中氧浓度的百万分之一,实现难度较大,常用的处理方法是使用酸性或碱性水溶液来去除氧化薄膜,以实现液态金属的回收㊂2 液态金属柔性复合材料的基体选取液态金属优良导电性和流动性使得其能够与柔性的聚合物相复合,制作柔性导电复合材料㊂根据材料的应用场景不同,对所使用的柔性基体性能有不同的要求㊂2.1 通用高分子材料基体大部分通用的高分子材料力学性能和加工性能要优于改性功能材料且生产技术成熟㊁成本低廉,能够大规模工业化生产㊂将其作为液态金属复合材料的基体材料,能够更容易使生产的柔性导电材料广泛应用在通讯㊁交通运输㊁电气电子工业等国民经济主要领域和人们日常生活中㊂目前,在柔性导电材料中应用最广泛且性能优异的柔性材料主要包括有机硅橡胶(P D M S )和以氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(S E B S)为典型的热塑性弹性体㊂P D M S 对液态金属微粒有较好的导电阻隔效果,即使液态金属体积分数达到50%,复合材料仍处于绝缘状态(F i g .4(a )),当在设定的路径上施加一定的压力后,轨迹上的液态金属汇聚在一起,形成导电通路(F i g.4(b ))㊂这种方法制备的电路即使在基材受到损伤后仍能具备导电能力(F i g.4(c ))[18]㊂均匀分923 第1期王曦宇等:聚合物/镓基液态金属复合材料的研究及应用进展散在P D M S 基材中的液态金属微粒还可以在激光和低温冷冻下得到激活由绝缘体转变为导体㊂热塑性弹性体具有优异的拉伸性能,比较适合作为拉伸式传感器的基体材料㊂R o h 等[18,19]利用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物与苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物以4ʒ1的体积比例获得复合弹性体基材,加入银和液态金属进行复合,制成具有三明治结构的电极,该材料具有较高的断裂延伸率(>600%)和电学稳定性,300%应变下循环拉伸下电阻几乎保持不变(ΔR <0.04Ω)㊂F i g .4 C o n d u c t i v em e c h a n i s mo fL M /P D M S c o m po s i t em a t e r i a l s [18]2.2 自修复聚合物基体柔性电子器件在使用的过程中常常会受到外力的重复作用,材料难免会产生结构破坏㊂液态金属具有本征自修复能力,若柔性基材具备自修复能力则可以实现电子材料的电性能和力学性能的自修复,必然会大大提升产品的使用寿命㊂F i g .5 E l o n g a t i o n sa tb r e a ka n ds e l f -h e a l i n g ef f i c i e n c i e so fs o m e t y p i c a l s e l f -h e a l i ng ma t e r i a l sw i t hL M [20]具有自修复功能的含硫聚合物㊁聚氨酯丙烯酸酯(P U A )弹性体㊁P V A 水凝胶和P D M S 等材料都能够作为柔性导电材料的自修复聚合物基体㊂F i g .5展示了几种典型的自修复液态金属柔性导电材料的断裂延伸率和自修复效率㊂液态金属能够在硫聚合物中均匀分散,并与多硫键/硫醇形成动态的配体,使材料在自修复后的断裂伸长率比之前更高;含液态金属P U A 弹性体的断裂伸长率能达到5000%左右,但氢键作用力较弱,依靠氢键自修复后的断裂伸长率只能达到之前的45.1%;P V A 水凝胶虽然变形和修复性能都较弱,但是它具有特殊的驱动性能,可以用于制作驱动器;P D M S 基材自身具有优良的力学性能,依靠多重氢键的改性实现了较好的自修复性能㊂在选用自修复基材时,需要根据所需的产品性能㊁成本以及使用条件等进行综合考虑㊂3 液态金属的应用液态金属柔性电子材料3.1 液态金属柔性电子材料的制备方法液态金属与聚合物材料结合的方式多种多样,例如3D 打印㊁掩板法㊁激光处理和微流道法等(F i g.6),总体上可将其分为两大类㊂一类是在聚合物表面形成表面电路,围绕其图案精度㊁与基材之间的附着力㊁电性能的稳定性等内容展开研究㊂另一类是将液态金属嵌入进基体内部,包括微流道和液态金属微粒填充2种形式㊂3.1.1 3D 打印:3D 打印技术在液态金属的应用主要是利用液态金属的流动性,将液态金属制成导电油墨,再通过3D 打印机在聚合物基体表面形成电路或是设定的图案㊂Z h o u 等[22,23]提出了一种油墨直印(D I W )的3D打印工艺,其油墨是由液态金属分散到低黏度的P D M S 中制成㊂通过挤压或冷冻处理进行激活,使分散的液态金属形成连续的导电通路㊂激活后的材料表现出优异的导电性㊁显著应变响应性㊂此外,这种33高分子材料科学与工程2021年3D 打印工艺可以应用于多层软质电路㊁应变传感器等电子元器件,为高分辨率㊁高性能柔性传感器的快速生产提供了一种新思路㊂F i g.6 V a r i o u s f a b r i c a t i o nm e t h o d s o fL M -b a s e d f l e x i b l e e l e c t r o n i cm a t e r i a l (a ):3D p r i n t ;(b ):m a s km e t h o d ;(c ):l a s e r i r r a d i a t i o nm e t h o d ;(d ):m i c r o -c h a n n e lm e t h o d[21]3.1.2 表面加工方法:表面加工方法是指用液态金属浸润带有图案的掩板或丝网,使液态金属在聚合物基材上形成设定的电路或者图案的方法㊂常用的表面加工方法包括丝网印刷㊁掩板法和印章转印等㊂为了增强液态金属与基材的黏附力,可以将镓基液态金属与镍进行复合,提升其黏度,保证形成图案的完整性㊂此外,金属镍的引入还赋予液态金属磁响应性,在掩板中成型时,使用磁铁引导液态金属流动,有助于完成图案化[24]㊂对于与液态金属黏附力较弱的基材,还可以在液态金属与基材之间涂覆特定黏合剂来增强界面作用力㊂表面加工方法要求液态金属完全浸润模板(或印章)中设计的图案上面,才能保证加工的图案的完整性㊂然而在实际应用中,受液态金属与模板的黏附性和液态金属表面的金属氧化层的影响,导致形成的图案带有缺陷或者不完整㊂所以这种方法仅适用于对加工图案的精度要求不太高的器件㊂3.1.3 激光加工:随着液态金属柔性电路研究的不断深入,相关学者为开发一种加工精度高㊁加工速度快㊁形成图案稳定的加工方法付出了巨大的努力㊂激光加工已经被广泛应用于激光雕刻㊁激光焊接㊁表面改性等领域,将它用于雕刻液态金属柔性电路图案,必能发挥其效率快㊁精度高的优势㊂激光作用在液态金属上时能增强液态金属与聚合物材料的黏附力㊂其作用机理为:当高能量的激光光束在扫描至液态金属微粒时,瞬间的能量冲击让镓铟金属迅速膨胀并冲破外部的氧化壳层沿激光路径烧结成导电通路,爆发出的液态金属遇到空气后又迅速被氧化成尺寸更小的微粒㊂能够在激光扫描过的轨迹上形成更加丰富的表面微结构,提升与聚合物基材的结合力,从而能够实现电路的完整转印㊂Z h a n g等[25]利用此原理,制备了高精度的液态金属柔性电路㊂首先在蓝宝石基板上均匀涂覆一层液态金属微粒,激光光束按照设计柔性电路轨迹在表面扫过,进行转印时,激光扫过的液态金属具有丰富微结构对P D M S 基材的黏附力提升,而未被活化的液态金属不能黏附在P D M S 上,从而实现电路从蓝宝石基底剥离并成功转移到P D M S 基板上,利用形成的柔性电路制作了微型加热器㊂F i g .7 We t t a b i l i t y ofLM o n m a t r i xb e f o r ea n da f t e rl a s e r e n g r a v i n g [26]除了直接用激光处理液态金属,还可以利用激133 第1期王曦宇等:聚合物/镓基液态金属复合材料的研究及应用进展光对液态金属附着基体表面进行选择性地粗糙处理[26],构筑表面微结构,微结构的位置具有超疏水能力,同时也对液态金属有较大的排斥力(F i g.7)㊂与未经处理的表面相比,激光烧蚀的石英玻璃表面与液态金属液滴之间的黏附力由320.2μN降低到1.2μN,接触角高达157ʎʃ3ʎ,滚动角小于10ʎ㊂虽然液态金属具有流动性,但是因微结构对其的排斥作用限制其移动范围,从而防止柔性电路在因为液态金属的流动性而产生线路破坏㊁短路㊁相互污染等一系列问题,对于提升电路的稳定性和可靠性有重大意义㊂3.1.4嵌入柔性基体:将液态金属处理成一定粒径的微粒后,再均匀分散在基体材料中,是实现柔性材料导电的一种有效方法㊂其优点是制备的材料较为稳定,缺点是材料的导电能力比较差,因为液态金属微粒之间存在不导电的聚合物材料㊂如2.1节所述,有的复合材料导电能力需要外部应力㊁冷冻㊁激光等条件才能激活㊂与此同时,这种方法的液态金属用量较大(体积分数50%以上)㊁成本高且不适用于需要高精度导电图案的应用场景㊂微流道法同样是将液态金属嵌入柔性基体中,即将液态金属用注射器注入聚合物基体内填充空腔以形成通路㊂但这样形成的柔性电路存在许多局限性:由于液态金属与柔性基体的热膨胀系数不同,当电路负载过大产生热量时,会导致2种材料的膨胀程度不同,腔体中出现气泡;在拉伸应变较大时,液态金属与柔性基体也会出现形变不匹配的现象,甚至导致液态金属分布不均㊁泄露等问题㊂上述介绍的几种液态金属柔性导电材料的方法各有利弊,矛盾主要集中在液态金属与柔性基材的黏附和相容性能等方面,这也是本领域下一步的重点研究内容之一㊂此外,因为液态金属极易被氧化而导致性能下降,在使用上述方法构造柔性电路时,务必将液态金属形成的电路进行封装处理,避免液态金属的氧化和泄漏,保证材料能够长期使用㊂3.2液态金属柔性电子材料的应用3.2.1柔性传感器:柔性应力传感器是将各种场景信息转换成电信号的重要媒介是柔性电子器件的热门研究领域,以液态金属作为导电介质的柔性传感器近年来也逐渐受到了关注㊂液态金属柔性应力传感器主要包括电阻式和电容式2种,电阻式传感器的灵敏度相对较低,通常用作大形变的拉伸传感器;电容式传感器较为灵敏,适合作为响应速度快的按压式传感器㊂C o o p e r等[26]将液态金属灌注进两条相互缠绕的空心弹性体纤维中,制备了一种能够检测1.08ˑ104r/m的扭转变化的大量程传感器(比常见的扭转传感器高2个数量级)㊂复合材料较好的柔韧性㊁较高的应变极限以及较小的尺寸使其能够作为智能元器件,配合人工肌肉㊁软体机器人等开展工作㊂3.2.2摩擦纳米发电机:随着智能可穿戴设备㊁人体传感器㊁电子皮肤等智能柔性电子器件的研究逐渐深入,智能柔性设备能量源的研究越来越受到重视㊂锂电池的能量密度㊁穿戴舒适性和安全性并不能完全满足微型柔性传感器的要求,摩擦纳米发电机(T E N G s)作为一种新的能量来源方式以其绿色环保㊁体积小巧㊁柔软可变形等优势,受到了相关研究者的青睐㊂柔性T E N G s通常是将导电率较高的纳米材料(如C N T㊁石墨烯㊁银纳米线)分散在柔性基体中来实现的㊂使用固体导电材料时,拉伸形变会使电导率迅速上升,甚至过大的变形还会导致电路断路㊂此外,银纳米线㊁石墨烯等材料昂贵的成本也限制了其大规模的生产应用㊂液态金属弥补了上述固体导电材料在导电性㊁柔韧性和成本控制方面的不足,在纳米摩擦发电机的研究中占有一席之地㊂Y a n g等[27]将液态金属注射入P D M S铸造的空腔模型中,制作了单电极式液态金属摩擦纳米发电机(L M-T E N G),材料在拉伸至300%应变下,其输出信号特征不发生改变㊂面积为6c mˑ3c m的L M-T E N G在3H z单电极模式下,开路电压为354.5V,短路电流15.6μA,平均功率密度8.43mW/m2,表现出了优异的电学性能指标㊂3.2.3柔性驱动器:受各种生物行为的启发柔性驱动器的研究不断进步,基于光㊁电㊁热等驱动的机器人抓手㊁仿生花以及人工肌肉等驱动器等不断涌现,其中也不乏液态金属柔性驱动器㊂液态金属柔性驱动器大致分为2类:(1)使液态金属在基体材料中呈梯度或其他形式的不均匀分布,再利用外界光㊁热进行激发,利用材料的不对称变形,实现驱动;(2)基于基材自身的光㊁电和热响应能力,再充分利用液态金属的优良导电㊁导热性[29],结合焦耳热效应产生并传递热量,驱动基材产生响应㊂L i等[29]用生物纳米纤维(N F s)和液态金属制备了一种具有双面结构的复合材料驱动器,利用分别含有N F s和液态金属的两面的不对称变形,展现出了对湿度㊁光和电的快速响应,可应用于仿生肌肉㊂233高分子材料科学与工程2021年液晶弹性体驱动器固有的柔顺性和变形性能,使其成为一种很有前景的功能材料,但其广泛应用受到材料自身导热㊁导电性不足以及与传统刚性填料的机械不相容性的限制㊂F o r d等[30]将液态金属微粒嵌入液晶弹性体中,能增强导热和导电性能,且不降低材料柔顺性㊁机械和驱动性能㊂改性后的液态金属/晶弹性体复合材料利用焦耳热效应,驱动液晶基元运动,实现了类似肌肉的驱动性能㊂除了上述3种应用以外,液态金属的应用还涉及柔性电池等其他领域,相信技术难题的攻克和功能的丰富会引领液态金属走向更广阔的天地㊂4总结与展望本文首先对液态金属的重要理化性质进行了梳理和介绍,并与实际应用相结合,阐述各性能在具体应用中的重要作用;然后,分析了与液态金属结合的聚合物基材的选用原则和研究现状;最后,介绍了液态金属/聚合物复合材料的加工方法,并综述了聚合物基液态金属复合材料在柔性传感器㊁纳米摩擦发电机和智能软驱动器等前沿领域的应用现状㊂液态金属在很多方面的研究仍处于探索阶段,聚合物基液态金属复合材料未来的研究重点需要着眼于以下几个方向:(1)提升液态金属与柔性基体的黏附能力和相容性,防止出现液态金属分布不均和泄漏的问题㊂液态金属表面能较高,不易于在基材表面铺展和形成精密的图案㊂通过液态金属合金化㊁聚合物表面改性虽能够改善此类问题,但仍需要探寻更高效的技术手段㊂(2)由于成本限制,目前液态金属的研究仍处在实验室阶段,大规模生产和商业化面临着巨大的挑战㊂可以通过适当地掺入一些成本较低且性能优良的金属(例如铜)或者在不明显降低电学性能的情况下减少液态金属的用量,适当地控制成本㊂(3)受限于目前的工艺技术,与先进的刚性集成电路相比,柔性电子器件的电子元件密度较低㊁电路精密度不够且耐久性较差㊂(4)深入发掘液态金属与所用柔性基材对光㊁热㊁电等能量的响应能力,开发多功能的聚合物基液态金属复合材料,该材料必将在生物医药㊁智能驱动等科技前沿领域大有作为㊂参考文献:[1] D i c k e y M D.E m e r g i n g a p p l i c a t i o n s o f l i q u i dm e t a l s f e a t u r i n gs u r f a c e o x i 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镓基液态金属
镓基液态金属是一种不同于传统固态金属的新型材料，可以在室温下存在液态状态，大大改变了传统金属材料的性能，受到了越来越多的关注。

镓基液态金属是由稀土元素镓的原子与金属元素形成的液态金
属组成的液态金属。

它的特点是具有低熔点、良好的可塑性、高熔流率和热稳定性，使它可以用于机械零部件、绝缘材料等应用领域。

镓基液态金属具有良好的机械性能，能够用于制造各种精密零部件，具有耐腐蚀性和易焊接的性能。

它的机械强度可以达到高达六百六十兆帕。

它不仅具有良好的机械性能，而且具有良好的电学性能，其电阻值可以达到百兆欧，可以用作绝缘材料。

此外，镓基液态金属具有很好的耐腐蚀能力，可耐受各种强腐蚀性环境，特别是在突发性低温和低温暴露环境下，耐腐蚀性能会更加显著。

此外，镓基液态金属具有良好的易焊接性，可以易于焊接，而且焊接过程中不会产生焊接缺陷，可以大大提高焊接质量。

它的熔流率高，可以提高焊接速度以及焊接效果，可以提高焊接质量，并使其更加耐用。

镓基液态金属还具有优异的热稳定性，在高温环境下仍能保持稳定，不会轻易变质。

镓基液态金属作为一种新型材料，因其优良的特性而受到广泛关注，在机械零部件、绝缘材料等方面具有广泛的应用前景。

推动镓基
液态金属的发展具有十分重要的意义，也必将为未来新型材料的发展做出积极贡献。

镓基液态金属
近年来，随着科技的发展，研究者们逐渐取得了一些新的成就，其中一个就是镓基液态金属（Galinstan）的发明，它也被称为液态金属玩具，可以用来做很多有趣的实验和研究，这种技术使用液态金属来替代传统的固态金属，其特点是温度可控，电阻特性更好，性能更精确，耐热性更强。

镓基液态金属（Galinstan）是一种具有高性能的液态金属，主要由镓，锡，铅，锌组成，在室温下它处于液态状态，可以与晶体金属进行熔融，更加灵活，从而增强其可用性，它的特点是温度可控，能够调节电阻特性，特性更加精确，耐热性更强，更不容易受到环境污染，绝缘性更好，导热性更强，综合性能更优。

镓基液态金属（Galinstan）的发明对科技的发展有着重要的意义，在汽车及其他液压设备的应用中，液态金属可以替代一般的管道，从而实现电子控制，替换传统的机械控制，镓基液态金属具有耐腐蚀性和高效抗静电性，在微小机械装置，电子元件，微机械细胞技术，微纳机械系统应用等方面都具有重要的意义，给科学家们带来了更多的机遇，更多的可能性，它可以作为一种新的动力技术，从而获得更多的利用。

总之，镓基液态金属的发明给后代科学发展带来了种种机遇和刺激，而这一技术也将在未来开启人类新的科技发展之路，并有可能彻底改变我们的生活方式。

- 1 -。

镓基液态金属
镓基液态金属是一种新型材料，具有独特的高强度，耐热性和冲击韧性等优点。

自20世纪末起，它就被应用于许多不同领域，被广泛用于工业和航空航天领域。

镓基液态金属具有优良的力学性能，能够满足复杂的应用要求，因此在航空航天，汽车，军事等现代领域受到越来越多的关注。

首先，镓基液态金属的高强度使其在结构设计中占据重要地位，能够提高结构的刚度和强度，从而抵抗外界恶劣环境的冲击，这使得它在航空、航天、汽车等领域受到广泛的应用。

其次，镓基液态金属具有优异的耐热性，能够抵御较高的温度，比如宇宙空间的寒冷低温环境，或者地面高温环境，使得它们得以在任何温度下正常运行，这保证了航空航天制品的安全性。

此外，镓基液态金属还具有良好的冲击韧性，能够抵御外界强烈的冲击，例如飞机发动机和航天器运载火箭外部的恶劣空气流量，以保护空间和航空航天制品免受损害。

另外，镓基液态金属具有低温处理和良好的耐腐性，可以在恶劣环境下正常使用，这有助于提高产品的使用寿命。

同时，镓基液态金属的研发已经受到了越来越多的关注，因为它在许多不同领域中都有着广泛的应用，例如航空航天，汽车，军事，等等。

例如，美国宇航局已经公布了一项重点研究计划，计划研发高强度，耐热性和耐腐性的镓基液态金属用于太空探测中。

此外，英国皇家空军也在研发一种新型的镓基液态金属，用于特种火箭炮弹的结构改进，在温度、冲击和抗腐蚀方面均有显著的改善。

总之，镓基液态金属既有优良的力学性能，又能够抵御复杂的外界环境，因此受到越来越多的应用和关注，也为现代工业和航空航天领域带来了很大的发展潜力。

一种室温镓基液态金属-硅复合负极及其制备方法
室温镓基液态金属-硅复合负极的制备方法包括以下步骤：
1. 准备材料：镓 (Ga) 金属、硅 (Si) 粉末、溶剂 (如甲苯)。

2. 在惰性气氛下，将镓金属和硅粉末按一定比例混合，确保充分均匀混合。

3. 将混合物加入反应容器中，加入一定量的溶剂，并进行搅拌。

4. 施加适当的加热，通常在室温下进行，以促进反应的进行。

5. 继续搅拌混合物，直至形成均匀的液态金属-硅复合负极。

6. 冷却混合物至室温，确认复合负极形成。

需要注意的是，在制备过程中应避免氧气和其他氧化剂的存在，以免对复合负极材料的稳定性产生不良影响。

在制备过程中，可根据需要进行适当的参数调整，以获得所需的复合负极材料性能。

最终制备出的室温镓基液态金属-硅复合负极可用于电池、超级电容器等能源存储装置。

聚乙烯醇分散镓基液态金属聚乙烯醇分散镓基液态金属——革命性的材料技术在今天的世界里，材料科学的发展取得了显著的成就，为各个领域的应用带来了更多可能性。

而其中一项备受关注的技术就是聚乙烯醇（PVA）分散镓基液态金属，这一全新的材料掀起了一股技术革命的浪潮。

首先，我们需要了解什么是聚乙烯醇分散镓基液态金属。

聚乙烯醇是一种合成聚合物，具有良好的可溶性和粘附性。

而镓基液态金属则是一种能够在室温下维持液态状态的金属，具有良好的导电性和可变形性。

将这两种材料结合起来，我们可以得到一种新型材料，具备了聚乙烯醇的柔软性和液态金属的优异物理特性。

那么，聚乙烯醇分散镓基液态金属有何特点呢？首先，它具有优异的导电性能。

由于液态金属本身具有良好的导电性，而且在PVA的包裹下能够形成网络结构，使电子能够便捷地在材料中传输。

这使得聚乙烯醇分散镓基液态金属成为一种理想的导电材料，有着广泛的应用前景。

例如，可以用于制造灵活的电子屏幕、智能手套等电子设备，同时还可以在医疗领域中起到辅助治疗和监测的作用。

其次，它具有良好的可变形性。

由于液态金属能够在各种形状下保持自身的流动性，再加上PVA的包裹，使得聚乙烯醇分散镓基液态金属具有良好的可塑性。

这为制造具有特殊形状和结构的材料提供了新的可能性。

相比于传统材料，这种新型材料能够更好地适应不同场景的需求，例如可塑的电路、可伸缩的传感器等，可以用于制造智能穿戴设备、柔性机器人等领域。

此外，聚乙烯醇分散镓基液态金属还具有良好的稳定性。

由于PVA 能够有效地稳定液态金属，使其不易发生氧化等不稳定反应，从而延长了材料的使用寿命。

这为聚乙烯醇分散镓基液态金属的实际应用提供了可靠的保障。

在技术的进步中，我们需要不断探索新的材料，以满足不断发展的社会需求。

而聚乙烯醇分散镓基液态金属，作为一种革命性的材料技术，正以其独特的特点和广阔的应用前景引起人们的关注。

相信随着技术的不断进步，聚乙烯醇分散镓基液态金属将会在各个领域中发挥出更大的作用，为我们的生活带来更多惊喜和便利。