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  • 液态金属

    “液态金属”,指的是一种不定型金属,液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属成形过程及控制,液态金属充型过程的水力学特性及流动情况充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷,如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷,都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔,对保证铸件质量起着很重要的作用。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 液态金属 外文名: liquid metals
    外观: 液体 熔点: 660.37

    目录

    简介/液态金属 编辑

    液态金属液态金属

    液态金属充型流动过程的水力学特性目前在实际铸造生产中,砂型仍占相当大的分量,而液态金属在砂型中流动时呈现出如下水力学特性:

    1. 粘性流体流动:液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关,在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大,当液态金属中出现晶体时,液体的粘度急剧增加,其流速和流态也会发生急剧变化。

    2. 不稳定流动:在充型过程中液态金属温度不断降低而铸型温度不断增高,两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降,粘度增加,流动阻力也随之增加;加之充型过程中液流的压头增加或和减少,液态金属的流速和流态也不断变化,导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。

    3. 多孔管中流动:由于砂型具有一定的孔隙,可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时,往往不能很好地贴附于管壁,此时可能将外界气体卷入液流,形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。

    4. 紊流流动:生产实践中的测试和计算证明,液态金属在浇注系统中流动时,其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临,属于紊流流动。例如ZL104合金在670℃浇注时,液流在直径为20mm的直浇道中以50cm/s的速度流动时,其雷诺数为25000,远大于2300的临界雷诺数。对一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件的充型,液流上升速度很慢,也有可能得到层流流动。轻合金优质铸件浇注系统的研究表明,当Re<20000时,液流表面的氧化膜不会破碎,如果将雷诺数控制在4000~10000,就可以符合生产铝合金和镁合金优质铸件的要求。有人通过水力模拟和铝合金铸件的实浇试验证明:允许的最大雷诺数,在直浇道内应不超过10000,横浇道内不超过7000,内浇道内不超过1100,型腔内不超过280。 综上分析,影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度和浇注系统的形状及截面尺寸。

    为此,有必要研究液态金属在浇注系统中的流动情况。

    汞:汞是一种化学元素,俗称水银(汞亦可写作銾)。它的化学符号是Hg,它的原子序数是80。它是一种很重、银白色的液态过渡金属。因着这特性,水银被用于制作温度计。

    研究/液态金属 编辑

    和简单的非金属液体有许多共同点,20世纪60年代以来对它研究较多。但人们对它的结构细节仍不清楚。熔融金属的X射线或中子散射可得其径向分布函数g(r),它在平均意义上描述熔体结构。当r<σ(σ为原子有效直径,图1),g(r)=0,说明原子似硬球,不能互相贯穿,r大于2~3nm时,原子完全无规排列,g(r)→1。原子周围最近邻的原子数叫配位数Z,其中ρ0是熔体粒子数密度。绝大多数金属熔化时体积约增大5%,原子序数Z减小,金属键不变。少数“反常金属”(如Ga、Ge、Bi、Sb等)熔化时体积约收缩5%,Z增加,共价键部分地变为金属键。各种金属熔化后结构趋于相近,Z在9~12左右。熔体的Z和r1随温度上升而稍改变,但g(r)基本特点不变。

    液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。自由电子受到“赝原子”(它由正离子和起屏蔽作用的自由电子云组成)的很弱的势作用。两个正离子间,除了直接的静电排斥势外,还有一种间接的通过自由电子气而相互作用的势,上述两种势的叠加称为原子-原子的有效势φ(r)。理论分析指出:φ(r)在长程内有振荡(图2)。人们已建立联系φ(r)和g(r)的积分方程,可以从φ(r)求解g(r),或从g(r)求期φ(r)。用“硬球模型”可很好地阐明液态金属的结构和某些热力学性质。倘若取φ(r)为“硬球势”,并配以合适的硬球直径,同样能得到与实验一致的g(r)。通过傅里叶变换由衍射强度求得的g(r)总有一定误差,人们至今不能肯定或否定熔体φ(r)振荡的存在。

    技术/液态金属 编辑

    中国液态金属变形技术

    《不同构象之间的液态金属多变形性》论文,揭示出室温液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如,浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动,乃至发生液球之间的自动融合、断裂-再合并等行为,且不受液态金属对象大小的限制;较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度可高达上千倍;此外,在外电场作用下,大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并,直至融合成单一的液态金属球;依据于电场控制,液态金属极易实现高速的自旋运动,并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对;若适当调整电极和流道,还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。研究表明,造成这些变形与运动的机制之一在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。以上丰富的物理学图景革新了人们对于自然界复杂流体、软物质特别是液态金属材料学行为的基本认识。这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现,它们事实上成为用以构筑可变形智能机器的基本要素,为可变形体特别是液体机器的设计和制造开辟了全新途径。

    成就

    刘静小组的发现,为可变形材料特别是液体机器的设计和制造迈出了关键性的一步,一定程度上从理论和技术的层面论证了实现液态金属机器人的可能性;事实上,该研究已打开了系列已趋现实的应用范畴,如制造柔性执行器,控制目标流体或传感器的定向运动、金属液体回收,以及用作微流体阀、泵或更多人工机器等。若采用空间架构的电极控制,还可望将这种智能液态金属单元扩展到三维,以组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器;甚至,在外太空探索中的微重力或无重力环境下,也可发展对应的机器来执行相应任务。

    中国研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器

    原标题:中科院与清华联合研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器

    中国科学家造出了世界首台液态金属机器,这一成就被外媒形容为制造出“终结者”。

    据中科院理化所网站,3月3日,由刘静研究员带领的中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组,在Advanced Materials上发表了题为“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究论文,迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道,在国际上引起重要反响和热议。

    此项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制,即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动,从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这是该小组继首次发现电控可变形液态金属基本现象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章;Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性发现。

    这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统,从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。文章被选为期刊内前封面故事,Altmetric计量学数据显示其指数已达71.0,远高于期刊平均值6.7,在同时期论文中则排名No.1。

    研究揭示,置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量,实现高速、高效的长时运转,一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动,速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动,又能于各种结构槽道中蜿蜒前行;令人惊讶的是,它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整,遇到拐弯时则有所停顿,好似略作思索后继续行进,整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。

    应该说,液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主运动,可变形,具备一定代谢功能(化学反应),因此作者们将其命名为液态金属软体动物。这一人工机器的发明同时也引申出“如何定义生命”的问题。

    目前,实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器,尺度从数十微米到数厘米,且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。试验和理论分析表明,此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面:一是发生在液态合金、金属燃料及电解液间的Galvanic电池效应会形成内生电场,从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应,继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力;与此同时,上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为,这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。

    液态金属液态金属
    可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形刊载上述首创性发现的文章在线发表后,短时间内即引起世界范围内众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。New Scientist在第一时间以文章和精心制作的视频进行了报道:“液态金属朝可变形机器人迈进一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“将成为今后电影中人工生命的种子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”;Nature杂志在其研究亮点栏目以“液态金属马达靠自身运动(Liquid metal motor moves by itself)”为题进行了报道;Science网站发布观察文章和视频:“可变形金属马达拥有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”;路透社也对此进行了专门报道。在迄今所发展的各种柔性机器中,自主型液态金属机器所表现出的变形能力、运转速度与寿命水平等均较为罕见,这为其平添了诸多重要用途。作为具体应用器件之一,论文还特别展示了首个无需外界电力的液态金属泵,通过将其限定于阀座内,可达到自行旋转并泵送流体的目的,据此可快速制造出大量微泵,满足诸如药液、阵列式微流体的输运等,成本极低;若将此类柔型泵用作降温,还可实现高度集成化的微芯片冷却器;进一步的应用可发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器等。

    众多报道此项工作的科学杂志或专业网站还有,物理学家组织网站:“可在液体中自行驱动的可变形液态金属(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”;化学和工程新闻C&EN:“旋转的液态金属马达(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”;Uncover California:“世界首个液态金属机器人(World's First Liquid Metal Robot)”;Siliconrepublic:“首个终结者型液态马达问世,具无限潜力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”;镜报mirror:“真实的终结者1000液态金属马达(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”;Popular Science:“终结者智能液态金属或为新一轮军备竞赛的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”;Space Daily等:“液态金属机器人几乎已在这儿,并且他们由中国制造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”;Popular

    Mechanics:“终结者1000机器人或许就由这种自主行走的液态金属制成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”;更多网站则纷纷展望了这一开创性技术在机器人、药物递送、血管和环境监测等方面的应用前景,认为“机器人工业正迈向不可思议的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”,“显然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”,“这是许多潜在商业用途的源泉,对于世界各国的工业界和政府会有巨大的兴趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。

    大家都看过《终结者2》,里头的大反派T-1000 液态金属机器人那几乎不死的能力让人不寒而栗

    据初步统计,文章发表两周左右即已有数百个科学或专业网站对此进行了评介和转载,说明了本项研究工作的影响。

    自驱动液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念,将显着提速柔性智能机器的研制进程。当前,全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段,若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力,并结合相关技术,将引发诸多超越传统的机器变革。刘静小组关于液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现,为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径,具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

    研发/液态金属 编辑

    液态金属液态金属

    2015年3月,由清华大学教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静带领的中科院理化技术研究所、

    清华大学医学院联合研究小组,发现了一种异常独特的现象和机制,即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动。

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