Room temperature liquid metal: its melting point, dominating mechanism and applications

Junheng FU1 2 ⁴, Chenglin ZHANG1 2 ⁴, Tianying LIU1 3 ⁴, Jing LIU1 2 ⁴ ⁵

作者单位：

1.CAS Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Beijing 100190, China

2. School of Future Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3. School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4. Beijing Key Laboratory of Cryo-Biomedical Engineering, Beijing 100190, China

5. Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-019-0653-8

http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-019-0653-8

以镓、镓基合金和铋基合金为代表的室温液态金属，是目前材料领域方兴未艾的重点研究对象。得益于兼具金属的一般特性和液体相态下的流动特性，液态金属在先进热管理、柔性电子、生物医学等领域的探索取得了令人瞩目的进步，例如：将液态金属颗粒嵌入弹性体来构建电子皮肤，或用生物大分子包被液态金属制成光热效应胶囊，或者使用液态金属实现聚合物材料的快速制备，或者将聚合物/液态金属核壳结构用于能源器件。这些工作都有力地证明了液态金属复合材料具有传统金属粉末无法替代的优越性。另一方面，通过结合材料间彼此特性来进行材料设计也是研究热点。使用这种方法得到的物质往往具有与原始材料不同的物理特性。例如，使用多种金属组成的高熵合金（HEA）会由于协同效应而具有一些预料之外的光电特性，并且材料的延展性和弹性也有大幅提升。这些新兴领域的研究使得液态金属拥有着值得期待的应用前景。

材料的性质深刻影响着材料所能实现的功能，在液态金属的高表面张力、电场下受控运动变形、噬铝产氢等奇特的性质中，“低熔点”是一个非常低调而又不可或缺的基础要素。熔点反映出相态转变的临界位点，影响着相态转变过程中的能量吸收/释放，并决定了材料能够发挥作用的外部环境条件。目前可用的液态金属材料大约有十数种，它们有着明确测定的熔点；然而，如果我们将“常温”分别拓宽到0℃以下和100℃以上，就会发现现有的液态金属熔点分布温区是偏窄的，材料的应用场合也因此会受到一定的限制。所以，如果以熔点为代表的热物性是可以改变乃至人为设计的，那不仅会极大地拓宽液态金属材料在热学应用中的环境适用性，并将增强其在室温增材制造、生物医疗器件等方面的开发潜力。

对于液态金属而言，组成上的非单一性和常温下的液体相态使得其具备了非常便捷的调节性，无论是探究新共晶点下的比例组分，还是引入新的金属组分，或是添加/掺混非金属的功能性物质，对液态金属来说，可以操作的空间是巨大的。因此，探究液态金属熔点的可预测性规律，掌握影响液态金属熔点高低的调节因子，寻找出具有熔点可灵活调节的液态金属基材料，是具有重大意义的。此篇综述系统总结了关于液态金属熔点的研究进展。基于判定熔化过程的林德曼准则和波恩准则，文章解读了几种用以预测材料熔点的微观和宏观理论，并剖析了求解液态金属熔点的方法和影响液态金属熔点的因素。最后，介绍了基于镓基金属低熔点特性在相变材料、传热流体和增材制造耗材中的代表性应用。

Fig. 1 Typical applications of low melting-point liquid metal.

ABSTRACT: The room temperature liquid metal (LM) is recently emerging as a new class of versatile materials with fascinating characteristics mostly originated from its simultaneous metallic and liquid natures. The melting point is a typical parameter to describe the peculiarity of LM, and a pivotal factor to consider concerning its practical applications such as phase change materials (PCMs) and advanced thermal management. Therefore, the theoretical exploration into the melting point of LM is an essential issue, which can be of special value for the design of new LM materials with desired properties. So far, some available strategies such as molecular dynamics (MD) simulation and classical thermodynamic theory have been applied to perform correlative analysis. This paper is primarily dedicated to performing a comprehensive overview regarding typical theoretical strategies on analyzing the melting points. It, then, presents evaluations on several factors like components, pressure, size and supercooling that may be critical for melting processes of liquid metal. After that, it discusses applications associated with the characteristic of low melting points of LM. It is expected that a great many fundamental and practical works are to be conducted in the coming future.