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2017年以來(lái)，美空軍研究實(shí)驗室（AFRL）連續披露其液態(tài)金屬研發(fā)工作的最新進(jìn)展，顯示出美國在液態(tài)金屬應用研究領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。目前AFRL的液態(tài)金屬天線(xiàn)技術(shù)已完成實(shí)驗室階段的可行性驗證和原型件試制，利用液態(tài)金屬制成的天線(xiàn)原型件可在70兆赫～7吉赫范圍內，按需調節工作頻率，達到“以一替多”，實(shí)現飛機通信設備精簡(jiǎn)和系統減重等目的；AFRL通過(guò)* D打印出了液態(tài)金屬柔性電路樣件，精度達到了微米級；美國大學(xué)和研究機構正開(kāi)展液態(tài)金屬機器人機理研究。

一、鎵銦合金是最具應用前景的液態(tài)金屬

液態(tài)金屬通常是指熔點(diǎn)低于200℃的低熔點(diǎn)合金，其中室溫液態(tài)金屬的熔點(diǎn)更低，在室溫下即呈液態(tài)。自然界存在的室溫液態(tài)純金屬有汞、銫、鈁和鎵，熔點(diǎn)分別是-* * .* 7℃、2* .* * ℃、27℃和29.* ℃。汞的揮發(fā)性較大，且有毒，含汞殘余物進(jìn)入生態(tài)循環(huán)會(huì )對人類(lèi)和環(huán)境造成危害，因此僅限于科學(xué)研究，大規模生產(chǎn)和應用受限。銫和鈁屬于性質(zhì)活潑的堿性金屬，銫在空氣中極易被氧化，和水會(huì )發(fā)生劇烈反應，而鈁則是一種不穩定的放射性元素，限制了其應用開(kāi)發(fā)。

鎵銦合金（左側）及由該合金支撐的液態(tài)金屬液滴陣列（美國北卡羅來(lái)納州州立大學(xué)圖片）

因此，從上世紀九十年代末起，國外科學(xué)家開(kāi)始重點(diǎn)研究鎵合金，代替汞開(kāi)展液態(tài)金屬的機理探索和應用研究。鎵無(wú)毒，在手掌上就可化為液態(tài)，合金性能穩定，具有良好的介電性能和熱脹冷縮性能。通過(guò)加入其他元素，可形成鎵合金來(lái)調節熔點(diǎn)。研究表明，當鎵中加入銦元素，形成的鎵銦共晶合金，其熔點(diǎn)可在零攝氏度以下，用于電路設計，可通過(guò)機械、電壓等外部作用，對電路中鎵銦液態(tài)金屬的形貌、位置等進(jìn)行控制，可實(shí)現靈活設計，且易于電路重構，顛覆了傳統銅制電路靈活性不足且難以更改重構的缺點(diǎn)。

二、鎵銦液態(tài)金屬在射頻天線(xiàn)吉印通 刷柔性電路領(lǐng)域快速走向應用

目前，美軍鎵銦液態(tài)金屬軍用天線(xiàn)已完成原型件驗證，未來(lái)十年內有望裝機應用；液態(tài)金屬* D打印作為柔性電子器件制造的最新前沿技術(shù)，為常溫下直接制造柔性導線(xiàn)、執行器、電極系統、可穿戴式機械外骨骼的元器件，開(kāi)辟了一條方便快捷且有望實(shí)現普及化應用的途徑。

1. 鎵銦液態(tài)金屬天線(xiàn)頻率可調，顛覆了傳統軍用天線(xiàn)系統設計

為滿(mǎn)足不同任務(wù)需求，軍用飛機常需配裝數十副天線(xiàn)，覆蓋* ～9種不同的工作頻率。多個(gè)天線(xiàn)通常會(huì )造成系統構造復雜、增重以及信號間的干擾，使系統整體性能下降。美國科學(xué)家于2009年提出液態(tài)金屬多頻天線(xiàn)的概念，并在實(shí)驗室環(huán)境下證實(shí)了鎵液態(tài)金屬天線(xiàn)的性能。2011年，美國南卡羅萊納州立大學(xué)，首次研制出常溫液態(tài)的鎵銦共晶合金，并制備出在1.91吉赫～1.99吉赫范圍內頻率可調的鎵銦液態(tài)金屬天線(xiàn)原理件，成功驗證了技術(shù)可行性。201* 年，該研究團隊又采用新的電壓驅動(dòng)模式，實(shí)現了對合金形貌和位置的控制，研制出工作頻率在0.* * 吉赫～* .* 吉赫范圍內可調的鎵銦液態(tài)金屬天線(xiàn)。

左：2011年研制出的原理樣件；右：2017年AFRL展示的液態(tài)金屬共形天線(xiàn)原型件

美國南卡羅萊納州立大學(xué)2011年的研究成果引起了美空軍的高度關(guān)注。2012年AFRL的制造材料、傳感器、航空航天系統各部門(mén)吉印通 啟動(dòng)液態(tài)金屬天線(xiàn)應用研究項目，重點(diǎn)解決液態(tài)金屬在軍用環(huán)境下的服役溫度和更寬頻率范圍的可調問(wèn)題，推進(jìn)液態(tài)金屬天線(xiàn)的工程化進(jìn)程。201* 年該實(shí)驗室通過(guò)鎵銦共晶合金的成分調整，成功將液態(tài)金屬熔點(diǎn)降到-19℃，隨后進(jìn)一步開(kāi)展降熔點(diǎn)和擴頻率的研究工作。201* 年通過(guò)對鎵銦合金進(jìn)行成分優(yōu)化，加入錫、硒、碲等元素，成功將液態(tài)金屬的熔點(diǎn)降到-2* ℃，基本滿(mǎn)足了裝備實(shí)際應用環(huán)境需求。2017年* 月，該實(shí)驗室披露其通過(guò)復雜電路設計，成功研制在70兆赫～7吉赫工作頻率范圍內，可按需調節工作頻率的液態(tài)金屬天線(xiàn)原型件，并證實(shí)該天線(xiàn)在實(shí)驗室環(huán)境下能夠有效完成任務(wù)。目前，美軍正在加速推進(jìn)該技術(shù)的成熟，以便用于裝備。AFRL的下一步計劃是找出這種新型材料與傳統半導體技術(shù)的集成方法，在無(wú)人機（如MQ-9“死神”）吉印通 行試驗驗證。

與傳統天線(xiàn)相比，液態(tài)金屬天線(xiàn)有四大優(yōu)勢：①頻率可調，具備多個(gè)工作頻率；②不易斷裂，更為耐用；③設計靈活，可重構；④系統減重，小型化。

2. 鎵銦液態(tài)金屬可制成導電“墨水”，打印柔性電路

鎵銦液態(tài)金屬用作* D打印柔性電路的“墨水材料”，“墨水”配制簡(jiǎn)單，無(wú)需后處理，電導率相對較高，是一種理想的* D打印柔性電路原材料。

2012年前后，AFRL開(kāi)始液態(tài)金屬* D打印軍用柔性電路應用研究。201* 年* 月，在該實(shí)驗室的資助下，美國普渡大學(xué)研發(fā)出名為“機械燒結鎵銦納米顆?！钡囊簯B(tài)金屬?lài)娔蛴〉呐炕a(chǎn)方法，能在多種彈性材料和纖維上打印出柔性電路。這種方法的工藝流程是：首先將經(jīng)過(guò)聲波處理的液態(tài)金屬放入乙醇溶劑中，在溶劑中形成納米粒子并均勻分布；然后可在多種襯底吉印通 行打??；最后乙醇揮發(fā)，就能獲得液態(tài)金屬納米粒子的打印電路，精度可達到微米級。目前研究人員先后通過(guò)機械給料、電壓等方式，初步達到了對合金液滴的表面張力控制，實(shí)現了液滴聚集、分散或是尺寸變形，但要精確實(shí)現聚集的數量、形變尺寸控制等還需要更進(jìn)一步的研究?？蒲腥藛T表示，下一步通過(guò)對液態(tài)金屬表面張力的控制，重點(diǎn)研究“墨水”與基底表面間的相互作用，以便生產(chǎn)出滿(mǎn)足結合強度要求的各類(lèi)實(shí)用器件。

美空軍研究實(shí)驗室用液態(tài)金屬顯示出該實(shí)驗室名稱(chēng)英語(yǔ)縮略語(yǔ)（美空軍研究實(shí)驗室圖片）

* . 液態(tài)金屬內部機理揭露有望奠定柔性機器人的技術(shù)基礎

目前的機器人還主要依靠傳統材料，體型較為龐大、結構剛性、行動(dòng)不夠靈活。液態(tài)金屬改變了人們對傳統材料的認識，將成為機器人發(fā)展的重要突破。液態(tài)金屬不僅可制作機器人的柔性導線(xiàn)、執行器、電極系統等電子系統，還可制成神經(jīng)、肌肉、骨骼等。采用液態(tài)金屬電極制造人工肌肉，可以確保較高的順應性，變形率高達* 00%，顯著(zhù)優(yōu)于采用傳統剛性金屬；利用液態(tài)金屬制成的具有傳感功能的神經(jīng)系統可擺脫傳統剛性傳感器的限制，搭配柔性多自由度、無(wú)剛性結構肌肉，與生物機體運動(dòng)高度契合；而液態(tài)金屬的低熔點(diǎn)固液態(tài)轉換機制，使得液態(tài)金屬制造的人造外骨骼在需要時(shí)變成液態(tài)，能夠在狹小的空間穿行。目前，美國大學(xué)和研究機構主要開(kāi)展液態(tài)金屬自驅動(dòng)機制、成分配比、內部結構、宏微觀(guān)本征性能方面等基礎理論研究。隨著(zhù)研究的深入，液態(tài)金屬材料將為柔性可變形智能機器人研制打開(kāi)全新視野。

《終結者2：審判日》中的T-1000液態(tài)金屬殺手機器人。本文采用此圖，以向該科幻影片和材料科技致敬

三、結束語(yǔ)

液態(tài)金屬是美軍高度重視的新材料技術(shù)領(lǐng)域，對于革新軍用電子電路系統、機器人等具有重要意義。我們通過(guò)公開(kāi)文獻報道發(fā)現，我國中科院理化技術(shù)研究所、浙江大學(xué)等單位已開(kāi)展了液態(tài)金屬* D打印、液態(tài)金屬界面接觸機理等方面的研究，部分研究成果如液態(tài)金屬* D打印機研制、液態(tài)金屬自驅動(dòng)機制揭示等方面，達到國際領(lǐng)先水平。

但是，針對軍事領(lǐng)域的應用，液態(tài)金屬天線(xiàn)開(kāi)發(fā)、柔性電子屏和電路板打印等面向工程化應用的成果還較少，與國外存在一定差距。為此，我們建議：一是在該領(lǐng)域大力發(fā)揮軍民融合優(yōu)勢，吉印通 國內材料、制造、子系統多專(zhuān)業(yè)的軍民研究力量，組建研究團隊；二是聚焦天線(xiàn)、柔性電路、機器人等液態(tài)金屬重點(diǎn)研究方向，設立國家研究項目，重點(diǎn)攻關(guān)工程化應用中的液態(tài)金屬精確控制、液態(tài)金屬電路與傳統電子電路接口等問(wèn)題，加快液態(tài)金屬材料技術(shù)成果向武器裝備轉化。

胡燕萍女士已為《空天防務(wù)觀(guān)察》提供1* 篇專(zhuān)欄文章，如下表：

序號

篇名

1

201* 年1月2* 日

2

2月* 日

*

* 月2* 日

*

* 月2* 日

*

* 月27日

*

201* 年* 月1* 日

7

* 月21日

*

* 月2* 日

9

* 月20日

10

12月1* 日

11

2017年* 月* 日

12

9月* 日

1*

10月27日

1*

美國軍用液態(tài)金屬技術(shù)研究進(jìn)展分析（即本篇）

201* 年* 月11日

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心胡燕萍）

本篇供稿：系統工程所

編 輯：adr晨c~