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      話說液態(tài)金屬(4)

      2017年09月25日 9:19 4426次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿   作者:

        當(dāng)選擇使用液態(tài)金屬合金時(shí),需要考慮的是要求材料的大小或數(shù)量。就像應(yīng)用于高溫環(huán)境下,液態(tài)金屬的機(jī)械性能也受到結(jié)構(gòu)部件的誘導(dǎo),如橋梁建造、汽車甚至建筑物使用液態(tài)金屬。最重要的是要考慮這些合金不是在高性能結(jié)構(gòu)應(yīng)用中鋼鐵和鋁的替代品,而是由于它們受成本和尺寸的限制,液態(tài)金屬只能制成幾毫米厚的零件。大型結(jié)構(gòu)構(gòu)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(tài)金屬合金制造大型面板或片材是有可能的,但這項(xiàng)技術(shù)目前還在開發(fā)中,至少目前給出的資料還沒有顯示這方面的成功應(yīng)用。此外,液態(tài)金屬合金用于汽車保險(xiǎn)杠、飛機(jī)面板和船舶用能量吸收結(jié)構(gòu)都是目前可用技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)的巨大應(yīng)用。
        通過考慮以下四個(gè)方面可以找到液態(tài)合金的最佳應(yīng)用。一是可以用金屬替代的小塑料部件,二是可以用網(wǎng)狀鑄件代替的加工金屬部件,三是使用結(jié)晶金屬或塑料不能獲得相應(yīng)的機(jī)械性能,四是高附加值部件。因?yàn)橐簯B(tài)金屬合金的密度和強(qiáng)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(tài)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(dāng)耐用。不幸的是,在許多應(yīng)用中,塑料太軟,強(qiáng)度低,并且不耐用。此外,塑料的光潔度永遠(yuǎn)不會像消費(fèi)品中的拋光金屬一樣有光澤。電子外殼(手機(jī)、筆記本電腦、相機(jī)、視頻游戲等)是最有說服力的例子。液態(tài)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(yōu)點(diǎn)。然而,這種應(yīng)用的推廣必須考慮到成本的折衷。如果零件的銷售成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料成本,那么與標(biāo)準(zhǔn)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(tài)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(dāng)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(shí),液態(tài)金屬合金的應(yīng)用就顯得非常必要。鋼制沖壓技術(shù)在制備復(fù)雜的金屬零件方面表現(xiàn)優(yōu)異,但往往不能達(dá)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(jìn)行沖壓。如果金屬部件必須進(jìn)行加工時(shí),只要工作溫度相對較低,就可以使用液態(tài)金屬合金替代。
        機(jī)械性能不能從除液態(tài)金屬合金外的金屬獲得。液態(tài)金屬合金的最佳應(yīng)用是利用合金的獨(dú)特機(jī)械性能及其加工能力。以高爾夫球桿為例,液態(tài)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(qiáng)度。
        加固型案例是屬性和加工處理結(jié)合的另一種理想應(yīng)用。液體金屬外殼可以鑄造成具有完美表面光潔度的網(wǎng)狀,同時(shí)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(fù)雜的特性,受到腐蝕性環(huán)境影響或需要高彈性,那么液態(tài)金屬是這個(gè)部件替代物中最好的候選者。
        高附加值液態(tài)金屬部件。這是指產(chǎn)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(dú)特應(yīng)用)。 液態(tài)金屬合金在這些領(lǐng)域已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用,包括手表,珠寶,高端案例和牙科設(shè)備。
        液態(tài)金屬合金可與其他高性能合金結(jié)合,制造特殊的部件,如OMG海洋液態(tài)金屬表,就是依靠材料的外觀而不是其功能。在另一種應(yīng)用中,牙科植入物的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其制造的材料。如果液態(tài)金屬與傳統(tǒng)材料相比存在一些成本或加工上的優(yōu)勢,那么它就是最合適的選擇。這四條規(guī)則提供了從消費(fèi)品硬件到導(dǎo)彈部件,如何將液態(tài)金屬合金整合到各種產(chǎn)品中的一般指導(dǎo)方針,也更有助于我們開發(fā)液態(tài)金屬的應(yīng)用。
        近年來,我國液態(tài)金屬的發(fā)展主要集中在智能機(jī)器人領(lǐng)域。而清華大學(xué)的劉靜課題組就是這個(gè)領(lǐng)域的代表人物。那么液態(tài)金屬用于智能機(jī)器人領(lǐng)域是個(gè)什么狀態(tài)呢?我們應(yīng)該都記得在1991年的電影“終結(jié)者2”中,出現(xiàn)了一種由液態(tài)金屬制成的能力可變的機(jī)器人T-1000。無論身體發(fā)生什么樣的傷害,T-1000都可以立即自動恢復(fù)。T-1000甚至可以自適應(yīng)地改變身體形狀并調(diào)整他的面部特征。這么多年來,這種形狀轉(zhuǎn)換和智能機(jī)器人就是機(jī)器人和自動化領(lǐng)域的終極目標(biāo)之一。劉靜課題組的研究為智能電機(jī),血管機(jī)器人,流體泵送系統(tǒng),柔性執(zhí)行器和更復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人的發(fā)展奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ),但是這些液態(tài)金屬機(jī)器時(shí)純液相的。在2016年劉靜團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇題為“液態(tài)金屬機(jī)器觸發(fā)小提琴式線振蕩器”的論文,發(fā)表在《Advanced Materials》上作為封面故事。在這篇文章中液態(tài)金屬內(nèi)的銅線進(jìn)行非常獨(dú)特的自激振蕩,即一旦處理過的銅線接觸到含鋁液體金屬,銅線將被液態(tài)金屬迅速吞噬,作為小提琴的滑動弓進(jìn)行長期往復(fù)的運(yùn)動。上述現(xiàn)象的機(jī)理主要是由于鋁和堿溶液之間的電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致液態(tài)金屬與銅線兩端之間的潤濕力差異。銅線、液態(tài)金屬、電解質(zhì)和氫氣之間的動態(tài)耦合產(chǎn)生節(jié)奏驅(qū)動力,這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了固液相組合。這一突破性的發(fā)現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的接口科學(xué),為軟智能機(jī)器的開發(fā)鋪平了道路,并開發(fā)了用于流體、電氣、機(jī)械、光學(xué)和其他系統(tǒng)的創(chuàng)新控制開關(guān)。
        目前,世界先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)是熱點(diǎn)話題。如果我們能夠在很大程度上掌握和運(yùn)用液態(tài)金屬的獨(dú)特性質(zhì),我們將能夠開發(fā)具有超越最新技術(shù)的人造智能和能力的新型機(jī)器人技術(shù)。劉靜團(tuán)隊(duì)關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)及其相應(yīng)復(fù)雜功能實(shí)施的開創(chuàng)性工作和發(fā)現(xiàn)具有非常重要的科學(xué)意義和實(shí)踐應(yīng)用前景,為未來開辟了新的途徑。

      責(zé)任編輯:淮金

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