蓬勃發(fā)展的液態(tài)金屬新工業(yè)

1、PAGE 7 -蓬勃發(fā)展的液態(tài)金屬新工業(yè)近年來，我國在液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面進入快速發(fā)展階段，居國際領(lǐng)先水平，已孵化出一系列在世界上處于領(lǐng)先地位或填補空白的液態(tài)金屬高新技術(shù)企業(yè)，包括云南液態(tài)金屬谷系列公司及北京夢之墨科技有限公司等，從液態(tài)金屬功能材料、應用器件到先進制造裝備等系列產(chǎn)品已批量進入市場1。由于液態(tài)金屬巨大的應用價值及發(fā)展?jié)摿?，一些發(fā)達國家正陸續(xù)在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應用方面進行布局。液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程2022年，中國團隊首次提出將低熔點金屬特別是鎵基液態(tài)金屬流體用于芯片冷卻，開啟了這類高安全性常溫液態(tài)金屬的基礎(chǔ)與應用研究。此后，又相繼開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D打

2、印、生物醫(yī)學、可變形機器等多個領(lǐng)域的研究1，使液態(tài)金屬從最初的冷門發(fā)展成備受矚目的重大科技前沿。早在2022年，中國科學院理化技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院理化所”）就開始液態(tài)金屬前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的推動工作。當時，高性能芯片的“熱障”問題使得以風冷為代表的傳統(tǒng)散熱方法面臨巨大挑戰(zhàn)，熱管及水冷等方式逐步成為主流，然而芯片在摩爾定律的快速迭代范式下，已有技術(shù)無法滿足芯片可持續(xù)發(fā)展的需求。液態(tài)金屬具有遠高于常規(guī)流體的熱導率（如鎵熱導率約為水的60倍），可極大提升流體換熱系數(shù)2。特別是，液體金屬作為一種優(yōu)良的導電介質(zhì)，可通過無運動部件的電磁泵驅(qū)動，實現(xiàn)緊湊式高性能液冷散熱器，這種超高熱流密度散熱及低功耗

3、特性，在芯片及相關(guān)行業(yè)展示出重大價值?；谠缙谝簯B(tài)金屬產(chǎn)業(yè)實踐，液態(tài)金屬領(lǐng)域引領(lǐng)者、中科院理化所劉靜教授于2022年前瞻性地提出在中關(guān)村創(chuàng)建中國液態(tài)金屬谷的戰(zhàn)略構(gòu)想，但限于時機而未能實質(zhì)性推動。不過，該倡議在數(shù)年后由于相關(guān)項目乃至產(chǎn)業(yè)集群落地于有著有色金屬王國之稱的云南后得以快速推動起來，云南也歷史性地成為液態(tài)金屬全新工業(yè)的策源地。2022年，中科院理化所液態(tài)金屬項目落地云南，由中宣液態(tài)金屬科技有限公司（以下簡稱“中宣公司”）實施產(chǎn)業(yè)化。2022年，作為“科技入滇”重點簽約項目，液態(tài)金屬科技成果在業(yè)界產(chǎn)生重要影響；與此同時，結(jié)合云南有色金屬資源優(yōu)勢建設液態(tài)金屬谷的倡議得以落實。2022年，中宣

4、公司在國內(nèi)外率先建成液態(tài)金屬熱界面材料等生產(chǎn)線，推出了液態(tài)金屬導熱膏、導熱片、電子油墨、電子手寫筆等系列產(chǎn)品。同年，在多方推動下，定位于服務支撐液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)的云南科威液態(tài)金屬谷研發(fā)中心掛牌成立。2022年，專注于極端散熱的云南靖創(chuàng)液態(tài)金屬熱控技術(shù)研發(fā)有限公司（以下簡稱“靖創(chuàng)公司”）在曲靖成立。2022年2月，云南液態(tài)金屬谷建設成果入選“2022云南十大科技進展”，被贊譽為“揭開了液態(tài)金屬前沿技術(shù)的神秘面紗”。此后，云南逐步建立起較為完善的液態(tài)金屬研發(fā)、生產(chǎn)、檢測等產(chǎn)業(yè)體系，先后孵化出8家相關(guān)產(chǎn)業(yè)化公司，具備了良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢，“中國液態(tài)金屬谷”產(chǎn)業(yè)集群初步形成。液態(tài)金屬四大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域液態(tài)金屬正

5、帶動新一代信息技術(shù)、新能源、先進制造、生物醫(yī)學、國防科技等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化主要涉及四大領(lǐng)域。液態(tài)金屬先進散熱液態(tài)金屬作為同時兼具流動性、高導熱性、高體積相變潛熱的材料，為先進散熱技術(shù)的發(fā)展帶來了顛覆性變革。例如，將液態(tài)金屬通過浸潤性改性后制備的熱界面材料的熱阻遠低于現(xiàn)有硅脂基熱界面材料；將液態(tài)金屬作為流體散熱介質(zhì)，其換熱系數(shù)遠高于現(xiàn)有液冷技術(shù)；將液態(tài)金屬（低熔點合金）作為相變熱控材料，則具有單位體積相變潛熱大、相變材料內(nèi)溫度梯度小、相變前后體積變化小等顯著優(yōu)勢2。近20年來，國際上圍繞液態(tài)金屬先進散熱技術(shù)的研究與應用呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢。繼中國之后，發(fā)達國家也紛紛加以布局，美國國家航空航

6、天局（NASA）還于2022年將其列為前沿研究方向。我國總體上在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化上均占據(jù)先機。液態(tài)金屬熱界面材料方面，我國學者率先解決了液態(tài)金屬與不同基底之間的浸潤性這一核心問題3，在應用上跨出實質(zhì)性一步；此后，中宣公司于2022年實現(xiàn)了熱界面材料產(chǎn)品量產(chǎn)，并成功應用于索尼、聯(lián)想等知名公司的最新電子終端產(chǎn)品。液態(tài)金屬相變材料單位體積的相變潛熱遠高于傳統(tǒng)材料，為解決受限空間高功率密度熱控問題開辟了新途徑，靖創(chuàng)公司的相變熱控產(chǎn)品已應用于國防領(lǐng)域。液態(tài)金屬流體散熱方面，中科院理化所研制的液態(tài)金屬CPU散熱器于2022年進入市場，性能明顯優(yōu)于市場上的頂級熱管散熱產(chǎn)品4?？梢灶A計，由于兼具各種綜合優(yōu)勢，

7、液態(tài)金屬有望成為理想的超高功率密度散熱材料，并帶動構(gòu)建嶄新的技術(shù)應用體系，有關(guān)研究不僅為科學技術(shù)進步注入了新的活力，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與變革帶來了新的希望。液態(tài)金屬印刷電子與3D打印電子器件制造在現(xiàn)代文明中扮演了至關(guān)重要的作用。已有的電子制造方法大多昂貴、耗時、耗材及耗能，難以實現(xiàn)普惠化及個性化。我國研究者于2022年前后開創(chuàng)性提出了顛覆傳統(tǒng)的液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)5與3D打印技術(shù)6，相繼發(fā)明了一系列全新概念的液態(tài)金屬印刷電子與3D打印材料及制造裝備，建立了有關(guān)理論與技術(shù)體系。2022年，中科院理化所團隊首次系統(tǒng)論述基于液態(tài)金屬的電子直寫技術(shù)7，并研發(fā)出世界上第一臺液態(tài)金屬桌面級電子電路打

8、印機，可在任意基質(zhì)上打印的液態(tài)金屬噴墨打印機，以及常溫下直接成型的液態(tài)金屬3D打印機。以上液態(tài)金屬打印產(chǎn)品及應用技術(shù)已由北京夢之墨科技有限公司實施產(chǎn)業(yè)化。隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備等新一代電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，作為其硬件基礎(chǔ)的印刷電子行業(yè)也得到蓬勃發(fā)展。液態(tài)金屬作為一種液體導電材料，具備利用印刷（涂布）工藝，制造柔性化、薄膜輕質(zhì)化、表面共形化電子線路及器件的能力，并有望與大面積、卷對卷等規(guī)?；a(chǎn)方式相結(jié)合，可望為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。而作為信息科學與制造業(yè)深度融合的先進制造技術(shù)，3D打印代表了未來數(shù)字化生產(chǎn)的新方向。中國科學家首創(chuàng)的機電一體化液態(tài)金屬3D打印技術(shù)，打破了傳統(tǒng)3

9、D打印技術(shù)的應用瓶頸。機電一體化液態(tài)金屬3D打印技術(shù)的創(chuàng)新在于賦予傳統(tǒng)3D打印產(chǎn)品電學功能，從而使功能器件的3D打印成為現(xiàn)實。液態(tài)金屬生物醫(yī)學發(fā)端于我國的液態(tài)金屬生物材料學促成了相應理論與技術(shù)體系的構(gòu)建8，一系列基礎(chǔ)突破在國際上產(chǎn)生廣泛影響。首創(chuàng)的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復技術(shù)，被評價為“極令人震驚的醫(yī)學突破”；發(fā)明的液態(tài)金屬血管造影術(shù)、液態(tài)金屬腫瘤栓塞劑、可注射固液相轉(zhuǎn)換型低熔點合金骨水泥，以及醫(yī)療電子在體3D打印等，也在業(yè)界引起廣泛重視。在液態(tài)金屬生物醫(yī)學技術(shù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面，我國也走在世界前列。云南邁特力醫(yī)療技術(shù)有限公司基于液態(tài)金屬的低溫熔塑特性，研發(fā)的骨科外固定支具產(chǎn)品已應用于臨床，解決了傳

10、統(tǒng)骨科外固定支具功能單一、笨重、使用不便、舒適性差等痛點。該技術(shù)展示出熱塑形溫度低及貼合度好、質(zhì)量輕、透X線、形狀溫控記憶性好等顯著優(yōu)勢。隨著我國快速進入老齡化社會，患有關(guān)節(jié)疾病、運動功能障礙的老年人日益增多，這種具有輔助支撐及康復治療功能的柔性外骨骼產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展空間，有望帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。液態(tài)金屬柔性機器實現(xiàn)可在不同形態(tài)之間可控轉(zhuǎn)換的柔性機器，以執(zhí)行復雜任務，是科學界與工程界長久以來的目標，相關(guān)研究具有重大應用前景。近年來，隨著液態(tài)金屬基礎(chǔ)研究的重大發(fā)現(xiàn)和突破，柔性機器的研制出現(xiàn)了前所未有的曙光，促成可變形柔性機器從理想走向了現(xiàn)實9。液態(tài)金屬柔性機器的開創(chuàng)性研究于2022年由我

11、國學者發(fā)表10，被評價為“液體機器預示著柔性機器人的新時代”。該項研究表明，常溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。例如，浸沒于電解液中的液態(tài)金屬可在低電壓作用下實現(xiàn)大尺度變形、自旋、定向運動，并可發(fā)生液態(tài)金屬之間的融合、分裂及再融合等行為，可作為構(gòu)筑可變形機器的基本要素。此后，我國學者又先后發(fā)展出一系列液態(tài)金屬大尺度變形控制技術(shù)，為發(fā)展柔性機器人奠定了堅實的基礎(chǔ)。當前，液態(tài)金屬柔性機器的產(chǎn)業(yè)化推進處于啟動階段，蘊藏著巨大發(fā)展機遇。通過液態(tài)金屬與其他材料的結(jié)合，還可發(fā)展固液結(jié)合及剛?cè)嵯酀臋C器人形態(tài)。不難預見的是，由液態(tài)金屬制造的柔性可控變形單元，將為構(gòu)建全新概念的先進機

12、器人技術(shù)開啟廣闊的空間。液態(tài)金屬新材料標準體系標準是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是提高市場競爭力的關(guān)鍵要素。當前，標準已成為各國競爭的焦點之一。由中科院理化所牽頭制定的液態(tài)金屬首項國家標準（鎵基液態(tài)金屬GB/T39859-2022）于2022年10月1日實施，這也是國際上第一項液態(tài)金屬國家標準。為進一步推動液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決技術(shù)指標評價體系不完善的問題，全國有色金屬標準化技術(shù)委員會已先后組織立項了多項液態(tài)金屬國家標準，部分已進入制定或預研階段。液態(tài)金屬標準體系的建設不僅能加快液態(tài)金屬前沿技術(shù)的推廣應用，引領(lǐng)和規(guī)范我國液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)，促進液態(tài)金屬材料相關(guān)領(lǐng)域高質(zhì)量健康發(fā)展，還能更好地保障我國在液

13、態(tài)金屬行業(yè)的主導權(quán)和話語權(quán)。1劉靜，楊應寶，鄧中山.中國液態(tài)金屬工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告：一個全新工業(yè)的崛起.昆明：云南科技出版社，2022.2鄧中山，劉靜.液態(tài)金屬先進芯片散熱技術(shù).上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2022.3GaoYX，LiuJ.Gallium-basedthermalinterfacematerialwithhighcomplianceandwettability.AppliedPhysicsA，2022，107：701-708.4DengYG，LiuJ.Designofapracticalliquidmetalcoolingdeviceforheatdissipationofhi

14、ghperformanceCPUs.ASMEJournalofElectronicPackaging，2022，132：31009-31014.5劉靜，王倩.液態(tài)金屬印刷電子學.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2022.6劉靜，王磊.液態(tài)金屬3D打印技術(shù)：原理及應用.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2022.7ZhangQ，ZhengY，LiuJ.Directwritingofelectronicsbasedonalloyandmetalink（DREAMInk）：anewlyemergingareaanditsimpactonenergy，environmentandhealthsciences.FrontiersinEnergy，2022，6：311-340.8LiuJ，YiLT.LiquidMetalBiomaterials：PrinciplesandApplications，Singapore：Springer，2022.9LiuJ，Sh