蓬勃发展的液态金属新工业.docx

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1、蓬勃开展的液态金属新工业近年来，我国在液态金属产业转化方面进入快速开展阶段，居国际领先水平，已孵化出一系列在世界上处于领先地位或填补空白的液 态金属高新技术企业，包括云南液态金属谷系列公司及北京梦之墨科 技等，从液态金属功能材料、应用器件到先进制造装备等系列产品已批量进入市场1。由于液态金属巨大的应用价值及开展潜 力，一些兴旺国家正陆续在基础研究和产业应用方面进行布局。液态金属产业开展历程 2022年，中国团队首次提出将低熔点金属特别是锐基液态金属流体用于芯片冷却，开启了这类高平安性常温液态金属的基础与应用 研究。此后，又相继开创了液态金属在功能材料、热控与能源、印刷 电子与3D打印、生物医学

2、、可变形机器等多个领域的研究1,使液 态金属从最初的冷门开展成备受瞩目的重大科技前沿。早在2022年，中国科学院理化技术研究所（以下简称“中科院 理化所“）就开始液态金属前沿技术产业转化的推开工作。当时，高 性能芯片的“热障”问题使得以风冷为代表的传统散热方法面临巨 大挑战，热管及水冷等方式逐步成为主流，然而芯片在摩尔定律的快 速迭代范式下，已有技术无法满足芯片可持续开展的需求。液态金属 具有远高于常规流体的热导率（如银热导率约为水的60倍），可极大 提升流体换热系数2。特别是，液体金属作为一种优良的导电介质， 可通过无运动部件的电磁泵驱动，实现紧凑式高性能液冷散热器，这 种超高热流密度散热及

3、低功耗特性，在芯片及相关行业展示出重大价 值。基于早期液态金属产业实践，液态金属领域引领者、中科院理化所刘静教授于2022年前瞻性地提出在中关村创立中国液态金属谷的 战略构想，但限于时机而未能实质性推动。不过，该建议在数年后由 于相关工程乃至产业集群落地于有著有色金属王国之称的云南后得 以快速推动起来，云南也历史性地成为液态金属全新工业的策源地。2022年，中科院理化所液态金属工程落地云南，由中宣液态金属科 技（以下简称“中宣公司”）实施产业化。2022年，作为“科技入滇”重点签约工程，液态金属科技成果在业界产生重要影响; 与此同时，结合云南有色金属资源优势建设液态金属谷的建议得以落 实。20

4、22年，中宣公司在国内外率先建成液态金属热界面材料等生 产线，推出了液态金属导热膏、导热片、电子油墨、电子手写笔等系 列产品。同年，在多方推动下，定位于服务支撑液态金属产业的云南 科威液态金属谷研发中心挂牌成立。2022年，专注于极端散热的云 南靖创液态金属热控技术研发（以下简称“靖创公司”）在 曲靖成立。2022年2月，云南液态金属谷建设成果入选“2022云南 十大科技进展”，被赞誉为“揭开了液态金属前沿技术的神秘面纱”。 此后，云南逐步建立起较为完善的液态金属研发、生产、检测等产业 体系，先后孵化出8家相关产业化公司，具备了良好的产业基础优势，“中国液态金属谷”产业集群初步形成。液态金属四

5、大产业领域液态金属正带动新一代信息技术、新能源、先进制造、生物医学、 国防科技等领域创新开展。液态金属产业化主要涉及四大领域。液态金属先进散热液态金属作为同时兼具流动性、高导热性、高体积相变潜热的材 料，为先进散热技术的开展带来了颠覆性变革。例如，将液态金属通 过浸润性改性后制备的热界面材料的热阻远低于现有硅脂基热界面材料；将液态金属作为流体散热介质，其换热系数远高于现有液冷技 术；将液态金属(低熔点合金)作为相变热控材料，那么具有单位体积 相变潜热大、相变材料内温度梯度小、相变前后体积变化小等显著优势2。近20年来,际上围绕液态金属先进散热技术的研究与应用呈蓬勃开展态势。继中国之后，兴旺国家

6、也纷纷加以布局，美国国家航 空航天局(NASA)还于2022年将其列为前沿研究方向。我国总体上 在基础研究及产业化上均占据先机。液态金属热界面材料方面，我国 学者率先解决了液态金属与不同基底之间的浸润性这一核心问题3, 在应用上跨出实质性一步；此后，中宣公司于2022年实现了热界面 材料产品量产，并成功应用于索尼、联想等知名公司的最新电子终端 产品。液态金属相变材料单位体积的相变潜热远高于传统材料，为解 决受限空间高功率密度热控问题开辟了新途径，靖创公司的相变热控 产品已应用于国防领域。液态金属流体散热方面，中科院理化所研制 的液态金属CPU散热器于2022年进入市场，性能明显优于市场上的 顶

7、级热管散热产品4。可以预计，由于兼具各种综合优势，液态金属有望成为理想的超 高功率密度散热材料，并带动构建崭新的技术应用体系，有关研究不 仅为科学技术进步注入了新的活力，也为相关产业的可持续开展与变 革带来了新的希望。液态金属印刷电子与3D打印电子器件制造在现代文明中扮演了至关重要的作用。已有的电子 制造方法大多昂贵、耗时、耗材及耗能，难以实现普惠化及个性化。 我国研究者于2022年前后开创性提出了颠覆传统的液态金属印刷电 子技术5与3D打印技术6,相继创造了一系列全新概念的液态金属印刷电子与3D打印材料及制造装备，建立了有关理论与技术体系。2022年，中科院理化所团队首次系统论述基于液态金属

8、的电子直写技术7,并研发出世界上第一台液态金属桌面级电子电路打印 机，可在任意基质上打印的液态金属喷墨打印机，以及常温下直接成 型的液态金属3D打印机。以上液态金属打印产品及应用技术已由北 京梦之墨科技实施产业化。随着5G通信、物联网、可穿戴设备等新一代电子信息技术产业 的爆发式增长，作为其硬件基础的印刷电子行业也得到蓬勃开展。液 态金属作为一种液体导电材料，具备利用印刷（涂布）工艺，制造柔 性化、薄膜轻质化、外表共形化电子线路及器件的能力，并有望与大 面积、卷对卷等规模化生产方式相结合，可望为相关产业带来颠覆性 变革。而作为信息科学与制造业深度融合的先进制造技术，3D打印 代表了未来数字化生

9、产的新方向。中国科学家首创的机电一体化液态 金属3D打印技术，打破了传统3D打印技术的应用瓶颈。机电一体化 液态金属3D打印技术的创新在于赋予传统3D打印产品电学功能，从 而使功能器件的3D打印成为现实。液态金属生物医学发端于我国的液态金属生物材料学促成了相应理论与技术体系 的构建8, 一系列基础突破在国际上产生广泛影响。首创的液态金 属神经连接与修复技术，被评价为“极令人震惊的医学突破”；创造 的液态金属血管造影术、液态金属肿瘤栓塞剂、可注射固液相转换型 低熔点合金骨水泥，以及医疗电子在体3D打印等，也在业界引起广 泛重视。在液态金属生物医学技术的产业转化方面，我国也走在世界前列。 云南迈特

10、力医疗技术基于液态金属的低温熔塑特性，研发的 骨科外固定支具产品已应用于临床，解决了传统骨科外固定支具功能 单一、笨重、使用不便、舒适性差等痛点。该技术展示出热塑形温度 低及贴合度好、质量轻、透X线、形状温控记忆性好等显著优势。随 着我国快速进入老龄化社会，患有关节疾病、运动功能障碍的老年人 日益增多，这种具有辅助支撑及康复治疗功能的柔性外骨骼产品具有 广阔的开展空间，有望带来显著的经济和社会效益。液态金属柔性机器实现可在不同形态之间可控转换的柔性机器，以执行复杂任务， 是科学界与工程界长久以来的目标，相关研究具有重大应用前景。近 年来，随着液态金属基础研究的重大发现和突破，柔性机器的研制出

11、现了前所未有的曙光，促成可变形柔性机器从理想走向了现实9。液态金属柔性机器的开创性研究于2022年由我国学者发表10, 被评价为“液体机器预示着柔性机器人的新时代”。该项研究说明， 常温液态金属具有可在不同形态和运动模式之转换的普适变形能 力。例如，浸没于电解液中的液态金属可在低电压作用下实现大尺度 变形、自旋、定向运动，并可发生液态金属之间的融合、分裂及再融 合等行为，可作为构筑可变形机器的基本要素。此后，我国学者又先 后开展出一系列液态金属大尺度变形控制技术，为开展柔性机器人奠 定了坚实的基础。当前，液态金属柔性机器的产业化推进处于启动阶段，蕴藏着巨 大开展机遇。通过液态金属与其他材料的结

12、合，还可开展固液结合及 刚柔相济的机器人形态。不难预见的是，由液态金属制造的柔性可控 变形单元，将为构建全新概念的先进机器人技术开启广阔的空间。液态金属新材料标准体系 标准是保证产品质量的重要依据，也是提高市场竞争力的关键要 素。当前，标准已成为各国竞争的焦点之一。由中科院理化所牵头制 定的液态金属首项国家标准（钱基液态金属GB/T39859-2022）于2022 年10月1日实施，这也是国际上第一项液态金属国家标准。为进一 步推动液态金属产业开展，解决技术指标评价体系不完善的问题，全 国有色金属标准化技术委员会已先后组织立项了多项液态金属国家 标准，局部已进入制定或预研阶段。液态金属标准体系

13、的建设不仅能加快液态金属前沿技术的推广 应用，引领和规范我国液态金属产业，促进液态金属材料相关领域高 质量健康开展，还能更好地保障我国在液态金属行业的主导权和话语 权。1刘静，杨应宝，邓中山.中国液态金属工业开展战略研究报告: 一个全新工业的崛起.昆明：云南科技出版社，2022.2邓中山，刘静.液态金属先进芯片散热技术.上海：上海科学 技术出版社，2022.3GaoYX,LiuJ. Gal1ium-basedthermalinterfacematerialwithhighcomplianc eandwettability. AppliedPhysicsA, 2022, 107： 701-708

14、.4DengYG,LiuJ. Designofapracticalliquidmetalcoolingdeviceforheatdissi pationofhighperformanceCPUs. ASMEJournalofElectronicPackagin g, 2022, 132： 31009-31014.5刘静，王倩.液态金属印刷电子学.上海：上海科学技术出版 社，2022.6刘静，王磊.液态金属3D打印技术：原理及应用.上海：上海科学技术出版社，2022.ZhengY7ZhangQLiuJ. Directwritingofelectronicsbasedonalloyandmetai

15、 ink( DREAMInk ) ： anewlyemergingareaanditsimpactonenergy , environmentandhealthsciences. FrontiersinEnergy , 2022 , 6 ： 311-340.8LiuJ , YiLT. LiquidMetalBiomaterials ： PrinciplesandApplications, Singapore： Springer, 2022.9LiuJ , ShengL , HeZZ. LiquidMetalSoftMachines ： PrinciplesandApplications, Singapore： Springer, 2022.10ShengL,ZhangJ,LiuJ. Diversetransformationeffectsofliquidmetalamongdifferen tmorphologies. AdvancedMaterials, 2022, 26： 6036-6042.关键词：液态金属新工业产业化技术标准