高國強(qiáng) ，彭 偉 ，馬亞光 ，錢鵬宇 ，向 宇 ，王青松 ，閆麗婷 ，吳廣寧

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.國網(wǎng)山西省電力公司超高壓變電分公司，山西 太原 030000）

液態(tài)金屬是指某些熔點(diǎn)低而在室溫附近以液態(tài)形式存在的金屬或金屬合金，兼顧了液體的流動(dòng)性和金屬的導(dǎo)電性，是一種具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)的功能材料.傳統(tǒng)金屬原子呈有序排列，有晶界，微觀結(jié)構(gòu)不均勻.而液態(tài)金屬原子呈無序排列，無晶界，微觀結(jié)構(gòu)均勻.由于液態(tài)金屬不定型的液體形態(tài)使得其具有極佳的電學(xué)性能和熱力學(xué)性能.金屬晶體在吸收熱量從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程中，溫度并未升高，原子間的引力急劇減小，從而造成原子結(jié)合鍵的破壞，金屬原子間的規(guī)則排列被打亂，金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài).隨著溫度的升高，晶體網(wǎng)格內(nèi)空位的數(shù)量逐漸增加，原子間作用力進(jìn)一步降低，金屬液體狀的黏度減小.常見的室溫液態(tài)金屬主要有銫（Cs，熔點(diǎn)28.4 ℃）、鈁（Fr，熔點(diǎn)27.0 ℃）、銣（Rb，熔點(diǎn)39.3 ℃）、汞（Hg，熔點(diǎn)-38.8 ℃）和鎵（Ga，熔點(diǎn)29.8 ℃）[1].其中：汞是日常生活中最常見的液態(tài)金屬，但由于汞的劇毒和易揮發(fā)等特性限制了其發(fā)展；銣、銫、鈁3 種液態(tài)金屬也由于其具有較強(qiáng)的放射性而難以得到廣泛應(yīng)用[2].

金屬鎵于1875 年被發(fā)現(xiàn)，相比于其他液態(tài)金屬，鎵具有毒性低、蒸汽壓低、可回收利用等特性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且可以通過與其他金屬（如銦、錫、鋅）合金化來降低熔點(diǎn)[3].最常見的鎵基液態(tài)金屬合金有共晶鎵銦合金（EGaIn，Ga、In 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.755、0.245）和鎵銦錫合金（GaInSn，Ga、In、Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.685、0.215、0.100）.鎵基液態(tài)金屬合金具有良好的理化性能，目前，已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、柔性電子、散熱冷卻和摩擦潤滑等領(lǐng)域.

鎵基液態(tài)金屬合金擁有諸多優(yōu)良特性，但金屬鎵易被氧化且價(jià)格昂貴，限制了鎵基液態(tài)金屬的發(fā)展與應(yīng)用.鎵基液態(tài)金屬合金的表面反應(yīng)性很強(qiáng)，即使在極低的氧氣濃度下，其表面也會發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層氧化膜[4].該氧化膜的形成一方面會使合金喪失原有的導(dǎo)電能力和流動(dòng)性能，另一方面，也會對合金內(nèi)部起到保護(hù)膜的作用，即阻止氧化膜包裹的合金內(nèi)部被進(jìn)一步氧化，保證液滴合金內(nèi)部的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.早在2002 年，中國研究團(tuán)隊(duì)首次提出將鎵基液態(tài)金屬用于芯片冷卻領(lǐng)域，隨后又開創(chuàng)了液態(tài)金屬在功能材料、熱控與能源、印刷電子與3D 打印、生物醫(yī)學(xué)、可變形機(jī)器等多個(gè)領(lǐng)域的研究，使得液態(tài)金屬逐漸成為研究熱點(diǎn)[5].

本文對鎵基液態(tài)金屬的制備方法、性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行論述，對其未來在材料改性、新型電子器件、太陽能電池、自恢復(fù)滑動(dòng)電接觸等方面的應(yīng)用進(jìn)行展望.

1 鎵基液態(tài)金屬的制備

1.1 鎵基液態(tài)金屬合金的制備

實(shí)驗(yàn)室制備鎵基液態(tài)金屬合金的方法主要有噴吹攪拌法、氣氛保護(hù)熔煉法和油浴加熱法.

劉辰等[6]采用氬氣保護(hù)及噴吹攪拌法制備鎵銦錫液態(tài)金屬合金，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.首先，將不同質(zhì)量配比的鎵、銦、錫純金屬顆粒放置于純凈燒杯中，燒杯上方用膠塞堵塞住，膠塞上分別設(shè)置進(jìn)氣口和出氣口；然后，將氬氣通過進(jìn)氣口通入燒杯中以排除燒杯內(nèi)的空氣，通過酒精燈加熱將燒杯內(nèi)的純金屬全部熔化，形成熔體，氬氣在加熱的過程中不僅能抑制鎵金屬的氧化，還能對熔體進(jìn)行噴吹攪拌；最后，將熔體自然冷卻，獲得鎵銦錫液態(tài)金屬合金.采用這種方法制備鎵基液態(tài)金屬合金，由于燒杯內(nèi)的金屬受熱不均勻，易出現(xiàn)所獲得的鎵銦錫液態(tài)金屬合金不均勻的現(xiàn)象.耿繼業(yè)等[7]采用氣氛保護(hù)熔煉法制備鎵銦錫鋅液態(tài)金屬合金.即將一定質(zhì)量配比的鎵、銦、錫、鋅純金屬放入石墨坩堝內(nèi)，并移入氣氛爐中，將氣氛爐中空氣抽出，通入高純氬氣，由于金屬鋅的熔點(diǎn)較高，故將氣氛爐加熱到600 ℃以上，保溫2 h，待氣氛爐冷卻至室溫，取出石墨坩堝，獲得鎵銦錫鋅液態(tài)金屬合金.油浴加熱法是指在燒杯中加入鎵及其他純金屬，在惰性氣體的保護(hù)下，通過油浴加熱的方式將燒杯內(nèi)的金屬全部熔化，形成熔體，并在加熱的過程中采用電磁攪拌，使熔體內(nèi)金屬分布均勻，最后冷卻，獲得鎵基液態(tài)金屬合金[8].采用油浴加熱法制備鎵基液態(tài)金屬合金，加熱過程中金屬材料受熱均勻，且采用電磁攪拌，制備出的鎵基液態(tài)金屬合金品質(zhì)較高，但油浴加熱溫度有限，無法將熔點(diǎn)過高的金屬材料熔于鎵金屬中.

圖1 噴吹攪拌法制備鎵銦錫合金[6]Fig.1 Preparation of GaInSn alloy by spray stirring[6]

制備鎵基液態(tài)金屬合金大體上可分為4 步：

步驟1按所需鎵基液態(tài)金屬合金的質(zhì)量配比將純金屬原材料加入制備器皿中；

步驟2通入惰性氣體排出制備器皿內(nèi)的空氣；

步驟3將制備器皿內(nèi)的溫度升高至純金屬材料的熔點(diǎn)以上，形成熔體；

步驟4將制備器皿內(nèi)的熔體冷卻，獲得合金.

在制備鎵基液態(tài)金屬合金的過程中，通入惰性氣體的目的是抑制鎵基液態(tài)金屬合金在制備的過程中被氧化，確保所制備鎵基液態(tài)金屬合金的品質(zhì).在加熱形成熔體的過程中，只需將溫度升高至純金屬熔點(diǎn)以上即可，同時(shí)，通過電磁或機(jī)械的方式對熔體攪拌一定時(shí)間，以確保鎵基液態(tài)金屬合金的均勻性.

1.2 鎵基液態(tài)金屬顆粒的制備

通過改變鎵基液態(tài)金屬顆粒的大小可進(jìn)一步提高鎵基液態(tài)金屬的性能.上海大學(xué)張配同等[9]將鎵基液態(tài)金屬合金與一定量的丙酮溶液混合后加入燒杯，將燒杯放置于超聲波清洗機(jī)中處理一段時(shí)間，得到鎵銦錫微球懸濁液，將懸濁液靜置一段時(shí)間后可獲得粒徑較小的液態(tài)金屬微球，通過改變超聲時(shí)間、超聲功率，可控制所獲液態(tài)金屬微球粒徑大小.上海交通大學(xué)Yu 等[10]提出一種自下而上的物理氣相沉積的方法制備納米級液態(tài)金屬顆粒，通過改變沉積時(shí)間控制鎵基液態(tài)金屬顆粒大小，其原理如圖2所示.將鎵基液態(tài)金屬原料放置于加熱電阻上，加熱電阻通過大電流產(chǎn)生熱量，使液態(tài)金屬原料汽化，生成金屬蒸汽，金屬蒸汽在硅襯底上冷卻，獲得納米級鎵基液態(tài)金屬.

圖2 物理氣相沉積法[10]Fig.2 Physical vapor deposition[10]

1.3 鎵基液態(tài)金屬氧化層的制備

鎵基液態(tài)金屬通常呈現(xiàn)銀白色的物理外觀，這限制了其在某些對色彩和美學(xué)要求嚴(yán)格領(lǐng)域的應(yīng)用.為解決鎵基液態(tài)金屬色彩問題，云南大學(xué)Duan等[11]提出通過熱氧化法誘導(dǎo)共晶鎵銦錫合金，將其表面由金屬轉(zhuǎn)化為熒光半導(dǎo)體.將一定質(zhì)量比的鎵、銦、錫純金屬放置于真空干燥箱中，60 ℃加熱30 min，制備出共晶鎵銦錫合金（EGaInSn），隨后，將共晶鎵銦錫合金滴到硅襯底上，在去離子水中浸泡30 s 使其表面氧化，形成Ga2O3和Ga2O 氧化層，將氧化后的共晶鎵銦錫合金放置在真空環(huán)境管狀爐中，在600 ℃的溫度下退火6 h，使表面氧化層轉(zhuǎn)化為β-Ga2O3殼層，這種殼體能使液態(tài)金屬液滴具有熒光，而不影響其內(nèi)部流動(dòng)性和導(dǎo)電性，轉(zhuǎn)化機(jī)理示意如圖3 所示.

2 鎵基液態(tài)金屬合金的研究進(jìn)展

2.1 鎵基液態(tài)金屬合金的基本特性

2.1.1 物理特性

鎵基液態(tài)金屬具有低熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、低蒸汽壓及高表面張力等物理特性.純鎵金屬的熔點(diǎn)是29.8 ℃，鎵金屬與其他金屬（如銦、錫）形成合金，可將熔點(diǎn)降低到室溫以下[12].例如，共晶鎵銦合金和鎵銦錫合金的熔點(diǎn)分別是15.7 ℃和 -19.0 ℃.與其他液態(tài)金屬相比，鎵基液態(tài)金屬在室溫下的蒸汽壓極低，如共晶鎵銦合金在300 ℃時(shí)的蒸汽壓小于1.33×10-10Pa，而水銀在42 ℃時(shí)蒸汽壓就達(dá)到了1 Pa[13-14].鎵基液態(tài)金屬合金擁有優(yōu)良的電學(xué)特性，其導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于其他液態(tài)金屬，鎵銦錫合金的電導(dǎo)率約為3.1×106S/m[15]，在一定的應(yīng)變條件下，其導(dǎo)電能力略高于碳納米管.在鎵基液態(tài)金屬合金中加入不同的金屬粉末可改變液態(tài)金屬的電導(dǎo)率[2].在極低溫度下，某些成分配比的鎵基液態(tài)金屬合金甚至?xí)霈F(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象.此外，鎵基液態(tài)金屬還具有很好的導(dǎo)熱性能[14].鎵銦錫合金在室溫下的熱導(dǎo)率約為水的27 倍，研究人員發(fā)現(xiàn)在水中加入鎵銦錫合金，通過低頻超聲乳化處理得到超聲納米乳液，可以提高其材料熱導(dǎo)率[16].室溫下，鎵基液態(tài)金屬在較寬的載荷范圍內(nèi)具有良好的潤滑性和較高的承載能力[15].鎵基液態(tài)金屬從液相到固相轉(zhuǎn)變時(shí)，會出現(xiàn)負(fù)熱膨脹現(xiàn)象[14].在高純度惰性氣體環(huán)境下測得鎵銦錫液態(tài)金屬在玻璃上的前進(jìn)接觸角和后退接觸角分別為146.8° 和121.5°，表面張力為534.6 mN/m.對液態(tài)金屬液滴施加電壓可改變其接觸角大小[17].相關(guān)鎵基液態(tài)金屬在液態(tài)下的物性參數(shù)如表1 所示.

表1 鎵基液態(tài)金屬的物理特性[1,2,13]Tab.1 Physical properties of gallium-based liquid metals[1,2,13]

2.1.2 化學(xué)特性

鎵基液態(tài)金屬合金靜置在空氣中時(shí)易被氧化，其表面會與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成約3 nm 厚的Ga2O3或Ga2O 氧化膜[2]，該薄膜的形成會使合金表面的某些物理性質(zhì)發(fā)生改變，如合金表面張力發(fā)生變化、潤濕性增加、黏度系數(shù)提高、熱導(dǎo)率降低等，合金顏色也會由光亮逐漸變?yōu)榛野?另一方面，該薄膜的形成也會阻止合金內(nèi)部被進(jìn)一步氧化，促進(jìn)合金內(nèi)部的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性[16].此外，通過強(qiáng)酸、強(qiáng)堿處理可以有效克服液態(tài)合金的氧化問題.將鎵基液態(tài)金屬放置于經(jīng)HCl 溶液浸漬過的紙張上，可以防止鎵基液態(tài)金屬合金被氧化，改善鎵基液態(tài)金屬的疏水性[18].NaOH 溶液與鎵基液態(tài)金屬合金互不相溶，且鎵基液態(tài)金屬合金的密度較大，可利用一定濃度的NaOH 溶液除去鎵基液態(tài)金屬合金表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)合金的回收利用[19].鎵基液態(tài)金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，可以明顯降低其表面張力，在共晶鎵銦合金中加入金屬鎂，甚至可以使其光熱轉(zhuǎn)換率提高61.5%[14].在液態(tài)金屬中加入鐵磁性的鐵或鎳金屬材料，不但可以使液態(tài)金屬具有磁響應(yīng)性能，還能使其具有正的壓電性[2].

2.2 鎵基液態(tài)金屬合金的應(yīng)用

2.2.1 電學(xué)領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬合金綜合了金屬和流體的特點(diǎn)，因其良好的導(dǎo)電性、流動(dòng)性和高表面張力而被廣泛應(yīng)用于故障限流器、微動(dòng)開關(guān)、柔性電子產(chǎn)品、電源儲能、電驅(qū)動(dòng)器、磁流體發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域.

1）限流與電氣開斷領(lǐng)域

鎵銦錫液態(tài)金屬合金具有磁收縮效應(yīng)，當(dāng)鎵銦錫液態(tài)金屬通過大電流時(shí)，大電流周圍會感應(yīng)出強(qiáng)磁場，反過來使得合金本身出現(xiàn)收縮、截?cái)唷⑵鸹‖F(xiàn)象[20].2005 年西安交通大學(xué)陳德桂[21]提出基于磁收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器，其腔體裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示.這種故障限流器具有自恢復(fù)、環(huán)保等特點(diǎn).在中低壓系統(tǒng)中，當(dāng)通過正常電流時(shí)，該限流器對外呈現(xiàn)低阻態(tài)；一旦系統(tǒng)發(fā)生短路故障，絕緣片上小孔內(nèi)的短路電流密度遠(yuǎn)大于絕緣片兩端電流密度，從而引起通孔內(nèi)故障電流自感應(yīng)出的磁場強(qiáng)度大于通孔外，如圖5 所示.圖中，BΦ為磁感應(yīng)強(qiáng)度.孔內(nèi)液態(tài)金屬在磁場和大電流產(chǎn)熱的影響下會出現(xiàn)收縮、截?cái)?、起弧現(xiàn)象，此時(shí)，限流器對外呈現(xiàn)高阻態(tài)，達(dá)到限流的目的.基于磁收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器在限流過程中會出現(xiàn)劇烈燃弧，燃弧對電極材料及絕緣片均會有一定的燒蝕和損傷，該限流器對電極與絕緣片的選材要求較高.

圖4 液態(tài)金屬限流器[21]Fig.4 Liquid metal flow restrictor[21]

圖5 液態(tài)金屬磁收縮示意Fig.5 Magnetic shrinkage of liquid metals

Niayesh 等[22]基于電流交換原理研制了一種利用電磁力控制鎵基液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)限制故障電流的裝置，其原理如圖6 所示.圖中：B為磁場強(qiáng)度，I為電流，F(xiàn)為電磁力.正常運(yùn)行時(shí)，鎵銦錫液態(tài)金屬直接接觸兩端固定電極，電路電流由固定電極和液態(tài)金屬導(dǎo)通，整個(gè)裝置呈低阻態(tài)，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時(shí)，鎵銦錫液態(tài)金屬在外部導(dǎo)線所產(chǎn)生電磁力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，從而將電阻材料串入整個(gè)電路中，使整個(gè)裝置呈高阻態(tài)，限制故障電流，待故障結(jié)束，液態(tài)金屬由電磁力的減小而回到固定電極之間，使限流器恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài).該限流器具有內(nèi)部無電弧、可自恢復(fù)、反應(yīng)速度快、便于維護(hù)等特點(diǎn)，但對外部電磁觸發(fā)裝置的靈敏度要求較高，且因?yàn)橥獠侩姶庞|發(fā)裝置的加入擴(kuò)大了整體限流器的體積.

圖6 新型液態(tài)金屬限流裝置原理[22]Fig.6 New liquid metal flow restrictor[22]

液態(tài)金屬開關(guān)通過控制封裝在玻璃外殼內(nèi)的液態(tài)金屬液滴的位置來實(shí)現(xiàn)開關(guān)通斷，鎵基液態(tài)金屬開關(guān)由于其無毒、低蒸汽壓等特性，逐漸取代了水銀開關(guān).耿繼業(yè)等[7]為制備鎵基液態(tài)金屬開關(guān)，采用真空鍍膜機(jī)在銅導(dǎo)線表面鍍1～10 mm 厚的碳膜，在玻璃殼內(nèi)部噴涂四氟乙烯涂料，在氬氣的保護(hù)下將1 mL 的鎵銦錫鋅合金液滴入玻璃內(nèi)殼，然后封閉玻璃端和導(dǎo)線端，成功制備出鎵基液態(tài)金屬玻璃傾斜開關(guān).南京理工大學(xué)Shen 等[23]介紹了一種以鎵銦合金為導(dǎo)電元件的具有自恢復(fù)特性的“固-液”接觸型慣性開關(guān)，如圖7 所示.該開關(guān)采用帶微流體通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基底，鉻和金作為固定電極，在氮?dú)猸h(huán)境下向微流體通道填充鎵銦液態(tài)金屬液滴；液態(tài)金屬液滴在慣性力下產(chǎn)生一個(gè)加速度，當(dāng)加速度大于其閾值時(shí)，液態(tài)金屬流入電極所在通道，開關(guān)導(dǎo)通，加速度消失時(shí)，液態(tài)金屬液滴能夠依靠自身的高表面張力回到原來位置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動(dòng)復(fù)位.為實(shí)現(xiàn)對鎵基液態(tài)金屬慣性開關(guān)的精密控制，劉瑞[24]研究了微通道結(jié)構(gòu)的尺寸、壁面的濕潤性和微流體體積對開關(guān)閾值的影響，利用低表面能物質(zhì)對微通道進(jìn)行疏液處理，提高液態(tài)金屬與壁面接觸角的方式提高開關(guān)閾值的穩(wěn)定性，將閾值誤差降低到1%以內(nèi).為提高液態(tài)金屬開關(guān)的響應(yīng)效率，楊文振等[25]通過刻蝕-相分離的方法對微流體通道基底表面進(jìn)行疏水改性的研究，使微流體通道表面同時(shí)發(fā)生化學(xué)刻蝕、相分離和SiO2沉淀過程，進(jìn)而形成梯度粗糙表面，改變鎵基液態(tài)金屬與微流體通道壁面的潤濕性，提升液態(tài)金屬慣性開關(guān)的加速度閾值和響應(yīng)時(shí)間.

圖7 “固-液”接觸型液態(tài)金屬慣性開關(guān)[23]Fig.7 “Solid-liquid”contact liquid metal inertial switch[23]

Jeon 等[26]通過在鎵基液態(tài)金屬氧化層表面涂覆鐵磁性顆粒獲得具有磁性、非濕潤性鎵基液態(tài)金屬液滴，通過調(diào)控磁鐵調(diào)節(jié)磁化后的鎵基液態(tài)金屬液滴位置，達(dá)到控制電路通斷的目的，如圖8 所示.

圖8 鎵基液態(tài)金屬液滴開關(guān)示意[26]Fig.8 Gallium-based liquid metal droplet switch[26]

2）柔性電路與傳感領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬在柔性電路與傳感領(lǐng)域應(yīng)用主要是利用其液態(tài)可任意塑形、無磨損電接觸、導(dǎo)電通道自恢復(fù)等特點(diǎn).隨著可穿戴或植入電子設(shè)備、柔性可穿戴傳感器、電子皮膚、可拉伸射頻天線等一系列柔性電子的出現(xiàn)，這些設(shè)備需要在不斷變形的過程中運(yùn)行，而液態(tài)金屬能夠在柔性電子的應(yīng)用中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).首先，液態(tài)金屬具備流動(dòng)性和柔軟性的特點(diǎn)，保證其在正常的工作條件下任意變形也不會改變性能，同時(shí)，液態(tài)金屬具有自修復(fù)的能力，保證其在長久的使用階段不會發(fā)生電阻突變和斷路的情況.其次，液態(tài)金屬具有強(qiáng)的導(dǎo)電性能，鎵銦錫合金的電導(dǎo)率約為3×104S/cm，略低于金的電導(dǎo)率（4×105S/cm），但卻遠(yuǎn)高于一些常用柔性材料，如碳納米管及凝膠，而且導(dǎo)電率不受環(huán)境影響，非常穩(wěn)定.此外，對于一般的固態(tài)金屬需要加工足夠薄才能具有足夠的柔性，在外力的施加下，還存在著斷裂、疲勞等不可逆的機(jī)械損傷，造成電接觸、連通路徑失效，而液態(tài)金屬在拉伸、扭絞中無機(jī)械摩擦和疲勞，連通路徑可自恢復(fù)，可大大提升柔性電子導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和壽命.隨著以鎵基合金等新型液態(tài)金屬材料的出現(xiàn)，具有無毒且不揮發(fā)的特點(diǎn)，這些優(yōu)勢使液態(tài)金屬在柔性電子領(lǐng)域受到了國內(nèi)外科研工作者的青睞[27-29].

與固體電極不同，鎵基液態(tài)金屬合金因其流動(dòng)性可作為自恢復(fù)的軟電極，且可以根據(jù)實(shí)際工程的需要，任意改變軟電極的形狀[1].耿繼業(yè)等[30]利用3D 打印制備聚氨酯微通道，并在微通道內(nèi)注入鎵銦錫合金后封裝，制備出液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外力基本不影響柔性電路導(dǎo)線電阻值.液態(tài)金屬直寫打印廣泛應(yīng)用于石墨烯、碳納米管、銀、銅電極之間的電接觸.液態(tài)金屬直寫打印通常通過剪切驅(qū)動(dòng)印刷和體積流動(dòng)印刷兩種方式實(shí)現(xiàn)[31].Cook等[32]通過剪切驅(qū)動(dòng)印刷的方式將共晶鎵銦合金打印到基材上，獲得微型高導(dǎo)電電路，并通過實(shí)驗(yàn)研究獲得最佳點(diǎn)膠壓力、基材材料、打印高度等操作參數(shù).Yin 等[33]將共晶鎵銦合金注入到PDMS 微流體通道內(nèi)，制備微流體剪切力傳感器；將此傳感器安裝在機(jī)器人的手指上，該傳感器可以捕捉外部觸覺信息，通過改變微流體通道內(nèi)電阻值將信息傳回機(jī)器人手指.Mengüc 等[34]采用3D 打印技術(shù)打印一種應(yīng)變片微通道，在通道內(nèi)注入鎵基液態(tài)金屬，制備可拉伸電阻型傳感器，可以監(jiān)測人體的運(yùn)動(dòng)，該原理是利用微通道兩側(cè)所受到的張應(yīng)力和壓應(yīng)力的不同，檢測出液態(tài)金屬微通道的電阻相對變化量與彎曲角度具有線性變化的關(guān)系，從而判斷出人體主要關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

目前，鎵基液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線的制備方法大致有3 種：微流管注入法、印刷制備法和微粒機(jī)械燒結(jié)法[35].

微流管注入法主要是采用加壓的注入方式將液態(tài)金屬注入微流管來制備柔性導(dǎo)線.將液態(tài)金屬注入到熱塑性（TPE）彈性管內(nèi)，就能夠得到一種簡易的可拉伸導(dǎo)線[36-37]，測量不同拉伸長度和拉伸速度下所對應(yīng)的電阻大小和信號傳輸效果，發(fā)現(xiàn)在拉伸200 次的實(shí)驗(yàn)中，其電阻有微小的變化，與拉伸長度近似成正比關(guān)系，信號傳輸效果與靜態(tài)時(shí)一致，驗(yàn)證了液態(tài)金屬作為可拉伸導(dǎo)線的實(shí)用性與可靠性.Zhu 等[38]采用熔體加工的方法制備可拉伸的中空纖維管，在纖維管中注入液態(tài)金屬鎵銦合金，在大于700%的拉力形變下依然能夠保持持續(xù)導(dǎo)電的能力.但由于生產(chǎn)工藝和效率問題，微流管法目前不適用于規(guī)模的制備.

印刷制備法是指利用編程、模具等其他方法來控制印刷路徑，在襯底材料表面直接制備出液態(tài)金屬導(dǎo)線來連接電路.在彈性表面材料上印刷液態(tài)金屬墨水，也可以制作可拉伸的液態(tài)金屬導(dǎo)體，在一定范圍內(nèi)重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)，液態(tài)金屬導(dǎo)體能夠保持較好的穩(wěn)定性，對液態(tài)金屬墨水的電學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，其電阻率會隨著氧含量的增多而增大[39].印刷制備法能夠按照設(shè)定程序來印刷線路，制備的效率大大提升，主要有筆寫法和噴墨法，但現(xiàn)在遇到的主要困難是液態(tài)金屬對襯底材料的浸潤性差，該問題制約著印刷法的發(fā)展.

機(jī)械燒結(jié)法[40]是將液態(tài)金屬制備成微粒懸濁液，在襯底的材料上沉積，生成液態(tài)金屬液滴，其表面會自然形成氧化鎵薄膜，利用機(jī)械的方式對液態(tài)金屬薄膜進(jìn)行壓縮、刻畫，致使液態(tài)金屬微粒表面氧化膜破裂，釋放出未被氧化的液態(tài)金屬，液態(tài)金屬顆粒之間連通形成導(dǎo)線.Lin 等[41]使用該法用液態(tài)金屬顆粒制作了柔性電路板和天線，將液態(tài)金屬納米顆粒嵌入彈性基質(zhì)，施加局部壓力后，顆粒融合在一起，形成導(dǎo)電路徑.目前，機(jī)械燒結(jié)法的主要缺陷是制作的導(dǎo)線表面存在裂縫，影響導(dǎo)線的質(zhì)量.

3）電源儲能領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬因其優(yōu)異的自修復(fù)性能，在電源儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.為解決可充電電池普遍存在的固體負(fù)極枝晶以及電極表面材料脫落、粉化等問題，陳玉等[42]基于鎵基液態(tài)金屬良好的流動(dòng)性，在電池充放電的過程中利用鎵基液態(tài)金屬可逆固、液相轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，解決枝晶問題，同時(shí)與固態(tài)電極保持良好的接觸界面，解決材料的脫落問題.Deshpande 等[43]將金屬鎵用于鋰離子電池負(fù)極，發(fā)現(xiàn)在40 ℃下鎵電極在循環(huán)的過程中具有自修復(fù)現(xiàn)象.然而，當(dāng)金屬鎵用于電極時(shí)，電池的工作溫度仍高于室溫，并且循環(huán)性能不佳.因此，研究人員將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向鎵基液態(tài)金屬合金上.陳玉等[44]將鎵錫合金作為鋰離子電池負(fù)極材料，結(jié)合靜電紡絲膜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與液態(tài)金屬的流動(dòng)性及高表面張力，將鎵基液態(tài)金屬約束在納米纖維內(nèi)部，限制鎵基液態(tài)金屬在充放電過程中與集流體的分離及體積膨脹，使鎵基液態(tài)金屬自修復(fù)性能得到充分的利用，鋰離子電池在充放電100 次后，其容量保持率高達(dá)94.8%.在鎵基液態(tài)金屬-空氣原電池中，鎵基液態(tài)金屬作為負(fù)極，鉑包覆碳纖維紗為正極，濃度為37.5%的KOH 溶液為電解質(zhì).鎵基液態(tài)金屬合金失去電子被氧化，而空氣中的氧氣得到電子被還原[45]，如圖9所示.主要反應(yīng)式為

圖9 鎵基液態(tài)金屬-空氣原電池工作原理[45]Fig.9 Working principle of gallium-based liquid metal-air primary batteries[45]

Liu 等[46]利用共晶鎵銦合金與MnO2制造出可充電電池，其中，共晶鎵銦合金用作電池正極，MnO2用作電池負(fù)極，堿性水凝膠為電解質(zhì).Wang 等[47]利用浸濕在鍍銅碳纖維上的鎵基液態(tài)金屬作為陽極，空氣電極作為陰極，設(shè)計(jì)出一種具有儲能、傳感和信號換能器等功能的集成電池，為開發(fā)高性能、高集成度電池開辟了新的方向.浙江大學(xué)Huang 等[48]制造出共晶鎵銦合金納米液滴，并將共晶鎵銦合金納米液滴應(yīng)用于鋰離子電池的陽極活性材料，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，共晶鎵銦合金納米液滴作為陽極活性材料有著良好的循環(huán)穩(wěn)定性.Ding 等[49]提出首款室溫全液態(tài)金屬電池，該電池利用Na-K 合金作負(fù)極，鎵基液態(tài)金屬合金作正極，含氟有機(jī)電解液作為電解質(zhì).由于電池負(fù)極、電解質(zhì)和正極密度各不同，在重力的作用下依次分為3 層，如圖10 所示.

圖10 室溫全液態(tài)金屬電池[49]Fig.10 Full liquid metal battery at room temperature[49]

鎵基液態(tài)金屬因其優(yōu)異的流動(dòng)性、金屬性、安全性和自修復(fù)性能被應(yīng)用于電源儲能領(lǐng)域.鎵基液態(tài)金屬用作電池的主電極，液態(tài)性質(zhì)賦予電池柔性、可穿戴等特點(diǎn)，其自愈合能力延長電池的循環(huán)壽命，但自愈合能力有限，在提高鎵基液態(tài)金屬自愈合能力和探究自愈合機(jī)制方面還需要進(jìn)一步研究.此外，鎵基液態(tài)金屬在光伏太陽能電池、發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用.

4）電驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬主要依靠其高表面張力及電濕潤特性被應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)器.哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang 等[50]研究了液態(tài)金屬鎵在堿性溶液中由電場驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)變形和加速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬鎵在狹窄通道內(nèi)以117.2 mm/s 最大速度快速移動(dòng).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬鎵在堿性溶液中的移動(dòng)速度隨通道寬度的減小而增大，其原因是液態(tài)金屬鎵在狹窄通道內(nèi)電濕潤效應(yīng)增大，從而引起液態(tài)金屬的表面張力梯度發(fā)生變化，即液態(tài)金屬鎵液滴朝向負(fù)極一側(cè)的表面張力大于朝向正極一側(cè)的表面張力，從而引起液態(tài)金屬鎵的加速運(yùn)動(dòng).Tang 等[51]介紹了一種通過對鎵基液態(tài)金屬施加電壓來控制其在微流體網(wǎng)絡(luò)通道內(nèi)定向流動(dòng)的方法，如圖11 所示.通過在微流體通道上下端施加不同極性電壓，改變鎵基液態(tài)金屬的浸潤性，進(jìn)而改變鎵基液態(tài)金屬的表面張力，引導(dǎo)液態(tài)金屬在微流體通道內(nèi)向電壓正極方向流動(dòng).在出口端設(shè)置不同端口極性來引導(dǎo)液態(tài)金屬按特定方向流動(dòng).中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)Xie 等[52]對鎵基液態(tài)金屬在電場驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)作了深入的研究，通過分析液態(tài)金屬在充滿堿性電解質(zhì)電場中的受力情況，建立液態(tài)金屬在液體通道中的動(dòng)力學(xué)模型，利用高分辨率、快速響應(yīng)電流源控制堿性電解質(zhì)中的電場強(qiáng)度，精準(zhǔn)控制鎵基液態(tài)金屬液滴到達(dá)目的地，位置控制偏差最小僅有0.026 cm，為鎵基液態(tài)金屬在智能汽車、智能機(jī)器人方面的研究奠定了基礎(chǔ).

圖11 液態(tài)金屬定向流動(dòng)[51]Fig.11 Liquid metal directional flow[51]

Liu 等[53]制備了一種由磁場驅(qū)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬微電機(jī)，將Fe3O4納米顆?；烊腈壔簯B(tài)金屬中，使鎵基液態(tài)金屬自發(fā)磁化，利用掩模板將鎵基液態(tài)金屬構(gòu)造成啞鈴狀，在橢圓極化磁場下會產(chǎn)生一種感應(yīng)磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)鎵基液態(tài)金屬不斷擺動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，微電機(jī)的形狀對推進(jìn)速率也有明顯的影響，研究發(fā)現(xiàn)蝌蚪狀的鎵基液態(tài)金屬推進(jìn)速度最快.為解決鎵基液態(tài)金屬電場驅(qū)動(dòng)需在溶液環(huán)境中的限制，王二龍[54]提出一種將電能轉(zhuǎn)化為有效機(jī)械扭矩的液態(tài)金屬電機(jī)，采用液態(tài)金屬在電場激勵(lì)下產(chǎn)生的水平流場作為電機(jī)的動(dòng)力源，該電機(jī)包括底層框架、環(huán)形水槽、電機(jī)轉(zhuǎn)子、頂層框架，如圖12 所示.環(huán)形水槽為電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的液態(tài)金屬提供電場驅(qū)動(dòng)所需的溶液環(huán)境，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元腔室內(nèi)的鎵基液態(tài)金屬在石墨電極產(chǎn)生的獨(dú)立電場的激勵(lì)下會產(chǎn)生一個(gè)指向電極正極方向的驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)轉(zhuǎn)子的8 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)工作，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn).將研制出的液態(tài)金屬電機(jī)應(yīng)用于小車和船，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬電機(jī)具有強(qiáng)抗電磁干擾能力和良好環(huán)境適用性.但在提高液態(tài)金屬電機(jī)的輸出功率方面還需要進(jìn)一步研究.

圖12 液態(tài)金屬電機(jī)結(jié)構(gòu)[54]Fig.12 Structure of liquid metal motor[54]

鎵基液態(tài)金屬由于其具有高表面張力和電濕潤效應(yīng)而應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域.通常是將鎵基液態(tài)金屬液滴置于堿性溶液中，對鎵基液態(tài)金屬液滴施加不同的電場，以改變其表面張力，鎵基液態(tài)金屬表面張力的變化會轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)鎵基液態(tài)金屬往提前預(yù)定好的方向移動(dòng).

5）磁流體發(fā)電領(lǐng)域

液態(tài)金屬是一種可流動(dòng)的良導(dǎo)體.液態(tài)金屬磁流體發(fā)電是通過液態(tài)金屬和磁場的相互運(yùn)動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其基本原理如圖13所示，發(fā)電裝置由液態(tài)金屬流體通道、磁鐵、電極和外界負(fù)載組成，液態(tài)金屬切割磁場產(chǎn)生的磁感線，在兩端電極產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，通過負(fù)載形成回路，達(dá)到消耗電能的效果.液態(tài)金屬用于磁流體發(fā)電有著結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn).

圖13 液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)原理[55]Fig.13 Principle of liquid metal magnetofluid generator[55]

美國德克薩斯大學(xué)Cosoroaba 等[56]采用純鎵為發(fā)電工質(zhì)，設(shè)計(jì)了一套液態(tài)金屬小型磁流體發(fā)電裝置.該發(fā)電裝置包含260 mm 長的發(fā)電通道，10 對磁場，39 個(gè)等距長的電極.整個(gè)裝置處于40 ℃的熱室中，以保持發(fā)電通道內(nèi)金屬為液態(tài).通過搭建該發(fā)電裝置的多物理場仿真模型，分析不同負(fù)載和不同液態(tài)金屬流量下發(fā)電裝置的輸出電流，結(jié)果表明，隨著發(fā)電流量的增大，仿真模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的誤差逐漸減小.Yamaguchi 等[57]提出采用低熔點(diǎn)高電導(dǎo)率的鎵銦錫液態(tài)金屬合金為發(fā)電工質(zhì)的磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖14 所示.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3 m長的閉環(huán)液態(tài)金屬發(fā)電通道、MDG-R15 流量驅(qū)動(dòng)磁鐵齒輪泵、流量計(jì)、溫度控制單元、測溫?zé)犭娕?、發(fā)電試驗(yàn)段、壓力傳感器和功率輸出測量裝置組成.鎵銦錫液態(tài)金屬合金由磁鐵齒輪泵驅(qū)動(dòng)，流過發(fā)電實(shí)驗(yàn)段時(shí)切割兩端永磁體的磁場產(chǎn)生電能，溫度控制單元和測溫?zé)犭娕脊餐饔?，控制發(fā)電通道內(nèi)鎵銦錫液態(tài)金屬合金的溫度，測量裝置測量磁流體發(fā)電機(jī)的輸出功率.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率隨液態(tài)金屬流速、液態(tài)金屬電導(dǎo)率和永磁體所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的增加而增加.但磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的最大發(fā)電效率僅占磁鐵齒輪泵的0.25×10-6.為提高磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，Niu 等[58]通過改變鎵基液態(tài)金屬流體的流動(dòng)狀態(tài)來提高雷諾數(shù)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在湍流下的發(fā)電效率為層流下的3 倍.該團(tuán)隊(duì)基于提高的液態(tài)金屬流體雷諾數(shù)，提出一種磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電通道結(jié)構(gòu)，如圖15所示.圖中，J為電流，u為液態(tài)金屬流速.將多個(gè)磁流體發(fā)電通道連接在一起，前后每對電極通過導(dǎo)線串聯(lián)，電流只能通過一條路徑，輸出電壓是各個(gè)接點(diǎn)的電壓之和，輸出更大的功率，提高了發(fā)電效率.

圖14 磁流體發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[57]Fig.14 Experimental system of magnetofluid power generation[57]

圖15 對角磁流體發(fā)電機(jī)模型[58]Fig.15 Model of diagonal magnetofluid generator[58]

易仁義[55]提出一種回折式發(fā)電通道結(jié)構(gòu)，如圖16所示.該通道由2 個(gè)單通道上下疊加而成，兩通道通過換向過渡段連接，通道兩端放置電極，上下兩電極保持一定距離，以確保不會互相干擾，輸出電壓為上下通道的串聯(lián)電壓.該發(fā)電通道相比于單通道在流體流通路徑上延長，且結(jié)構(gòu)緊湊，能充分利用潮流能大推力的特點(diǎn)，輸出更高的功率.

圖16 回折式發(fā)電通道模型[55]Fig.16 Fold-back power generation channel model[55]

劉艷嬌等[59]搭建了基于鎵基液態(tài)金屬的磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)仿真模型，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在發(fā)電通道內(nèi)的流速呈“M”形分布，電流密度在電極壁面處較大，減小液態(tài)金屬與電極壁面的接觸電阻可有效降低發(fā)電損耗.

液態(tài)金屬磁流體發(fā)電可應(yīng)用于潮流能發(fā)電，開發(fā)海洋內(nèi)豐富的潮流能資源，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴.但液態(tài)金屬磁流體發(fā)電的輸出功率較低，還有待進(jìn)一步研究.

2.2.2 熱學(xué)領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬擁有良好的導(dǎo)熱性能，其熱導(dǎo)率高達(dá)29.3 W/(m·K)，這使得鎵基液態(tài)金屬在制備熱界面材料、材料改性及散熱冷卻等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.

1）在制備熱界面材料方面的應(yīng)用

目前，電子設(shè)備和大功率集成電路等日益朝著小型化、輕型化的方向發(fā)展.散熱問題成為制約設(shè)備發(fā)展的主要因素，采用熱界面材料提高熱導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備、集成電路散熱的有效途徑之一.市場上常用的熱界面材料主要由有機(jī)硅脂制成，熱導(dǎo)率約0.2 W/(m·K)，導(dǎo)熱能力受到限制.鎵基液態(tài)金屬合金自身擁有良好的導(dǎo)熱能力，在制備熱界面材料方面有著巨大的應(yīng)用潛力.2012 年，Gao 等[60]通過實(shí)驗(yàn)研究鎵基液態(tài)金屬高黏附性的氧化機(jī)制，并介紹了鎵基液態(tài)金屬熱界面材料制備的方法；以純度為99%的鎵為原料，不斷攪拌氧化，制成具有很好黏附性的熱界面材料；制備的鎵基液態(tài)金屬熱界面材料在室溫下的熱導(dǎo)率約為13.07 W/(m·K)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅脂材料.2017 年，中山大學(xué)Liu 等[61]在PDMS 中加入鎵銦錫液態(tài)金屬合金和氮化鋁，制作出一種新型復(fù)合熱界面材料；通過測試，該材料的導(dǎo)熱性能要高于市面上最好的導(dǎo)熱潤滑脂產(chǎn)品之一X23-7 762，是一種理想的高性能CPU 散熱材料.2019 年，大連海事大學(xué)Ji 等[62]采用氧化法在鋁基表面制備陽極氧化鋁膜，增強(qiáng)兩鋁基板之間界面區(qū)域的傳熱性能，然后利用鎵銦錫液態(tài)金屬合金作為熱界面材料放置于兩鋁基板之間，與不含任何熱界面材料相比，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率提高了54 倍.牛波[63]使用室溫鎵基液態(tài)金屬為添加材料，按照一個(gè)方向?qū)⑵浞庋b在PDMS薄膜里面，進(jìn)而制造出各向異性導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)柔性薄膜材料，并將該材料應(yīng)用于具有定向?qū)岬谋匦瑝|.鎵基液態(tài)金屬在用作熱界面材料時(shí)，由于熱膨脹劇烈，出現(xiàn)表面分布不均勻現(xiàn)象，溫度較高時(shí)，鎵基液態(tài)金屬甚至出現(xiàn)泵出、氧化現(xiàn)象.為防止鎵基液態(tài)金屬在用作熱界面材料過程中的泵出和氧化現(xiàn)象，2022 年，重慶大學(xué)Ma 等[64]利用氟橡膠（FKM）材料作為鎵銦錫液態(tài)金屬合金與外界環(huán)境的緩沖帶，將鎵銦錫液態(tài)金屬合金作為熱界面材料密封在氟橡膠材料制備的特殊結(jié)構(gòu)中，通過1 000 h 的高溫老化、熱沖擊、恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氟橡膠密封結(jié)構(gòu)內(nèi)的液態(tài)金屬并未出現(xiàn)泵出和氧化現(xiàn)象.將鎵銦錫液態(tài)金屬用作CPU 的熱界面材料，CPU 滿載運(yùn)行的溫度比無熱界面材料時(shí)降低47%，比導(dǎo)熱硅脂作為熱界面材料時(shí)降低14%.

鎵基液態(tài)金屬可通過攪拌氧化或添加其他導(dǎo)熱材料等方法制備成熱界面材料.鎵基液態(tài)金屬作為一種新型熱界面材料，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于硅膠、硅脂等材料，但鎵基液態(tài)金屬高電導(dǎo)率和熱膨脹劇烈等特性對外部密封材料的絕緣、柔韌等性能要求較高.

2）在材料改性方面的應(yīng)用

近年來，在鎵基液態(tài)金屬中添加其他材料顆粒以提高材料的熱導(dǎo)率逐漸成為研究熱點(diǎn).例如，在鎵基液態(tài)金屬中添加銀納米顆粒、鍍鉻金剛石顆粒、銅顆粒、鎢微粒均可提高其熱導(dǎo)率，通過改變材料顆粒的大小、形狀和添加量，以獲取不同熱導(dǎo)率的鎵基液態(tài)金屬.2018 年，Lin 等[65]在鎵基液態(tài)金屬中添加銀納米顆粒，攪拌使其黏度增加，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著銀納米顆粒的增加，合金的熱導(dǎo)率先升高后降低，當(dāng)銀納米顆粒的添加量為3%時(shí)，其合金熱導(dǎo)率最高達(dá)到46.0 W/(m·K).將摻雜銀鎵基液態(tài)金屬作為智能手機(jī)CPU 散熱熱界面材料，通過一系列評估實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜銀鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的散熱性能更優(yōu)于商用熱硅襯墊.2019 年，Wei 等[66]采用磁控濺射的方法在金剛石顆粒表面沉積鉻過渡層，將鍍鉻金剛石顆粒添加至高純鎵中，制作了特定的3 層結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行激光閃光分析，并推導(dǎo)相應(yīng)的理論擬合模型，測量填充了鍍鉻金剛石顆粒的鎵基熱導(dǎo)率.通過編程迭代求解發(fā)現(xiàn)，在室溫下添加47%的鍍鉻金剛石顆?？梢詫⒏呒冩壍臒釋?dǎo)率從29.3 W/(m·K)提高到112.5 W/(m·K).2022 年，Zeng 等[67]通過強(qiáng)制濕潤的重復(fù)壓縮方法將50 um 的金剛石顆粒和碳纖維加入鎵基液態(tài)金屬中制備復(fù)合材料，以提高其熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入金剛石顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.50 時(shí)，鎵/金剛石二元組分復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，約87 W/(m·K)，當(dāng)加入碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.05、金剛石顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.40 時(shí)，鎵/金剛石/碳纖維三元復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，約129.0 W/(m·K).Xing 等[68]將金屬銅材料填充到鎵基液態(tài)金屬基體中，通過改變金屬銅填充劑的形狀、尺寸和用量，發(fā)現(xiàn)填充率為51%的球形杯液態(tài)金屬復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)54.2 W/(m·K).2021 年，Ki 等[69]采用無氧化物超聲輔助顆粒內(nèi)化的方法將銅納米顆粒內(nèi)化到鎵銦錫液態(tài)金屬合金中，制備出GaInSn/Cu NPs 復(fù)合材料，即將銅納米顆粒去氧化后吸附到鎵銦錫液態(tài)金屬液滴內(nèi)部，形成銅納米顆粒團(tuán)簇，銅納米顆粒團(tuán)簇在鎵銦錫液態(tài)金屬基體內(nèi)部形成額外的導(dǎo)熱通道，以提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.04 時(shí)，GaInSn/Cu NPs 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最高，為64.8 W/(m·K).2022 年，Khan 等[70]使用數(shù)值模擬仿真軟件，對比了碳納米管、氧化鋁、銅、金剛石等納米顆粒對鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管顆粒對鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率的影響最顯著，加入碳納米管顆粒的鎵基液態(tài)金屬納米流體熱導(dǎo)率比加入氧化鋁納米顆粒高12.48%，比加入銅納米顆粒高9.48%，比加入金剛石納米顆粒高8.79%.

在鎵基液態(tài)金屬中加入其他導(dǎo)熱材料可提高熱導(dǎo)率，鎵基液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率通常隨添加材料含量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；在提高材料熱導(dǎo)率的同時(shí)，也會改變材料的熔點(diǎn).2019 年，Kong等[71]提出一種在保持鎵基液態(tài)金屬熔點(diǎn)不變的前提下提高鎵基液態(tài)金屬熱導(dǎo)率的方法，即在鎵基液態(tài)金屬中加入鎢微粒獲得液態(tài)金屬——鎢（LM-W）混合物，LM-W 混合物的熱導(dǎo)率是鎵基液態(tài)金屬的3 倍.

3）在散熱冷卻方面的應(yīng)用

鎵基液態(tài)金屬具有高熱導(dǎo)率、高熱容量、高黏度和穩(wěn)定的物理性質(zhì)，相比于傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)，具有更好的散熱能力及更高效的循環(huán)系統(tǒng).鎵基液態(tài)金屬可直接作為冷卻工質(zhì)或通過固液相變蓄能的方式用于散熱系統(tǒng).2013 年，Tawk 等[72]將鎵基液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種微流體通道寬度為1 mm的液態(tài)金屬散熱環(huán)路系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在同等熱功率密度下，鎵基液態(tài)金屬的冷卻溫度要比水低60 ℃.2019 年，復(fù)旦大學(xué)李思琪等[73]將鎵銦錫液態(tài)金屬用于高功率密度LED 光源的散熱系統(tǒng)，能在LED 光源功率密度高達(dá)939.9 W/cm2時(shí)將LED 芯片結(jié)溫穩(wěn)定在80.0 ℃左右，確保LED 光源正常工作，且散熱系統(tǒng)均勻性較好，不同位置芯片的溫差較小，不超過3.5 ℃.王德輝[74]提出將鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用于電力電子器件的散熱，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，使用液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)時(shí)，熱源表面的最高溫度要比使用水冷卻系統(tǒng)低16.9 ℃，整個(gè)系統(tǒng)的熱阻下降了一半以上，但液態(tài)金屬由于其黏度和密度較高，使其無法在微小通道內(nèi)快速流動(dòng)，在設(shè)計(jì)冷板時(shí)可通過增加對流換熱面積的方式充分發(fā)揮液態(tài)金屬的散熱性能.2017 年，中國電力科學(xué)院李振明等[75]建立了高熱流密度電力設(shè)備的冷卻實(shí)驗(yàn)平臺，以鎵基液態(tài)金屬代替水作為冷卻工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)熱阻下降了一半以上，且鎵基液態(tài)金屬擁有優(yōu)異的對流換熱能力和導(dǎo)熱能力，未來可在高熱流密度電力設(shè)備冷卻技術(shù)中推廣應(yīng)用.2021 年，李驁等[76]采用數(shù)值模擬仿真軟件模擬將鎵基液態(tài)金屬Ga80In20作為雷達(dá)微波T/R 組件冷板的對流散熱介質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)冷卻介質(zhì)相比，相同流量下鎵基液態(tài)金屬能使冷板表面熱源的平均溫度降低約45%.

鎵基液態(tài)金屬具有熱容量大、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良特性，將鎵基液態(tài)金屬作為散熱系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)，相較于水等冷卻工質(zhì)，在同等熱功率密度的熱源下，鎵基液態(tài)金屬的冷卻溫度更低，且散熱系統(tǒng)溫度較均勻，系統(tǒng)熱阻低，但鎵基液態(tài)金屬黏度和密度較大，在微小散熱通道內(nèi)無法快速流動(dòng).因此，該方面還需要進(jìn)一步研究.

固液相變蓄能材料需要具備儲能密度大、循環(huán)壽命長、相變膨脹收縮體積小等特點(diǎn).鎵基液態(tài)金屬合金熔點(diǎn)較低，相變時(shí)體積變化小，且固液相變潛熱高達(dá)304 J/cm3,是作為固液相變蓄能的理想材料[52].但鎵基液態(tài)金屬對絕大多數(shù)金屬體系有腐蝕作用.為解決這一問題，2020 年Dobosz 等[77]提出將Ni-W 層作為防護(hù)層涂附在被冷卻的金屬表面，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在250 ℃以下時(shí)，Ni-W 層可以有效抑制鎵基液態(tài)金屬的腐蝕.2016 年，程勇等[78]將鎵基液態(tài)金屬相變材料應(yīng)用于二極管抽運(yùn)激光器，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與體積更大的風(fēng)冷肋片散熱器相比，鎵基液態(tài)金屬作為相變材料可使激光器在55 ℃環(huán)境下工作時(shí)長提高6 倍，制冷功耗減小到46%，散熱系統(tǒng)體積減小一半，且激光器的插頭效率提高近0.5%.Ge等[79]將低熔點(diǎn)鎵基液態(tài)金屬合金作為相變材料應(yīng)用于電子器件散熱領(lǐng)域，利用鎵基液態(tài)金屬材料的蓄冷及固液相變吸熱機(jī)理，吸收手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量，使手機(jī)溫度維持在30 ℃左右十余分鐘.一旦手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，鎵基液態(tài)金屬合金通過向環(huán)境釋放熱量而發(fā)生凝固，為下一次吸熱做好準(zhǔn)備，其基本原理如圖17 所示.加熱器由直流電源供電，模仿手機(jī)CPU 產(chǎn)熱，容器內(nèi)填充鎵基液態(tài)金屬，加熱器與容器通過導(dǎo)熱脂連接.在容器表面安裝熱電偶，實(shí)時(shí)測量容器溫度.研究人員還發(fā)現(xiàn)，將SiO2加入到液態(tài)金屬鎵中可以顯著降低材料的過冷度，有利于材料從液態(tài)恢復(fù)到固態(tài).為抑制鎵基液態(tài)金屬作為相變材料時(shí)出現(xiàn)過冷和泄漏現(xiàn)象，Zheng等[80]在液態(tài)金屬鎵中加入β-Ga2O3顆粒，制備出膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料.與純鎵液態(tài)金屬相變材料相比，膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料的過冷度更低、抗泄漏能力更強(qiáng).通過調(diào)整β-Ga2O3顆粒的加入量可改變膏狀液態(tài)金屬相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、相變潛熱、界面熱阻、過冷度等熱力學(xué)參數(shù).

圖17 智能手機(jī)散熱原理[79]Fig.17 Principle of smartphone cooling[79]

鎵基液態(tài)金屬熔點(diǎn)低，發(fā)生相變時(shí)，體積變化小，且相變潛熱大.鎵基液態(tài)金屬作為散熱系統(tǒng)的相變材料能吸收高負(fù)荷熱源產(chǎn)生的熱量，且長時(shí)間維持在某一特定溫度，但鎵基液態(tài)金屬過冷度較大，冷卻凝固的溫度遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)，在鎵基液態(tài)金屬中添加其他材料降低其過冷度還需進(jìn)一步研究.

2.2.3 摩擦領(lǐng)域

鎵基液態(tài)金屬合金具有較高的熱導(dǎo)率和熱容量，可快速消散摩擦過程中所產(chǎn)生的熱量，其密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)潤滑劑，且具有高表面張力、高分解溫度、高電導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低磨損率、不易蒸發(fā)和不易泄漏等優(yōu)良特性，在摩擦領(lǐng)域主要應(yīng)用于載流潤滑劑、極壓潤滑劑和潤滑添加劑等.

1）鎵基液態(tài)金屬用作載流潤滑劑

載流潤滑劑是一種兼顧在摩擦界面潤滑和導(dǎo)電的工程材料，傳統(tǒng)潤滑油脂不導(dǎo)電，離子液體電導(dǎo)率較低，無法滿足大多數(shù)載流工況下的要求.西北工業(yè)大學(xué)Guo 等[81]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)金屬合金可作為載流潤滑劑，與無電流相比，施加電流可以使接觸面磨損降低到56%，且鎵基液態(tài)金屬合金優(yōu)異的潤滑性是通過在摩擦界面生成的富鎵膜來實(shí)現(xiàn)的.Burton 等[82]將鎵基液態(tài)金屬用作載流潤滑劑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電流密度超過 1 .5×106A/m2的情況下，鎵銦錫液態(tài)金屬合金能有效潤滑銅/銅或銅/鉻配副.

2）不同環(huán)境氣氛下鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

鎵基液態(tài)金屬合金的潤滑性能與其所處的環(huán)境氣氛相關(guān).在有氧環(huán)境中形成的氧化薄膜會影響其潤滑性能.清華大學(xué)Bai 等[83]通過旋轉(zhuǎn)球-盤接觸實(shí)驗(yàn)，探究了鎵基液態(tài)金屬用作軸承鋼摩擦副潤滑劑時(shí)，在氮?dú)狻⒀鯕夂涂諝猸h(huán)境下的摩擦磨損性能.研究表明，在氧氣和空氣的環(huán)境下，鎵基液態(tài)金屬合金的摩擦系數(shù)和磨損率均低于氮?dú)猸h(huán)境.這是由于在有氧環(huán)境中，合金表面形成了氧化膜，從而使合金由液體逐漸轉(zhuǎn)化為膏狀，膏狀合金易于黏附到摩擦接觸區(qū)域，從而降低摩擦系數(shù)和磨損率.

3）不同摩擦副下鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

鎵基液態(tài)金屬對不同摩擦副材料所表現(xiàn)出的潤滑性能也各有差異.Buckley 等[84]將富鎵薄膜涂覆在不同合金表面，在直徑為0.5 m 的圓盤上測定了不同合金在空氣和真空中的摩擦磨損特性.研究表明，鎵膜并不是對所有合金都具有潤滑作用，鎵膜可以減小52100 和440-C 不銹鋼的摩擦磨損，卻不能有效潤滑鎳基合金和鈷基合金.程軍等[85]在SRV-IV型磨損試驗(yàn)機(jī)上分別研究了共晶鎵銦合金和鎵銦錫合金與摩擦副材料之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能與摩擦副配材料的選擇緊密相關(guān)，采用鋼/陶瓷副配時(shí)，鎵基液態(tài)金屬表現(xiàn)出良好的潤滑性能，采用陶瓷/陶瓷副配時(shí)，鎵基液態(tài)金屬對其幾乎沒有潤滑作用，且三元組分的鎵銦錫合金潤滑效果明顯優(yōu)于二元組分的共晶鎵銦合金.

4）鎵基液態(tài)金屬用作極壓潤滑劑

鎵基液態(tài)金屬具有很高的熱導(dǎo)率，比一般的有機(jī)潤滑劑高出2 個(gè)數(shù)量級[86].超高的熱導(dǎo)率使鎵基液態(tài)金屬在極端壓力下能快速消散摩擦所帶來的大量熱，減小摩擦磨損.Li 等[87]將鎵基液態(tài)金屬合金作為極壓潤滑劑，通過標(biāo)準(zhǔn)四球測試，發(fā)現(xiàn)使用鎵基液態(tài)金屬潤滑的鋼球可在10 kN 的負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)長期平穩(wěn)運(yùn)行，大大超越傳統(tǒng)潤滑油的載荷能力，其超極壓潤滑能力是由合金的高熱導(dǎo)率和FeGa3摩擦膜低摩擦系數(shù)共同作用實(shí)現(xiàn)的.Yang 等[88]將鎵基液態(tài)金屬作為鋼-陶瓷滑動(dòng)副極壓潤滑劑，研究發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)僅為0.11～0.23，且鎵銦錫合金的潤滑性和承載能力明顯高于共晶鎵銦合金.

5）鎵基液態(tài)金屬改善潤滑劑性能

鎵基液態(tài)金屬具有優(yōu)異的潤滑性能，不僅自身可作為良好的潤滑劑，還可作為潤滑添加劑提高其他潤滑劑的潤滑性能.He 等[89]提出了制備二烷基二硫代磷酸鹽（DDP）功能化鎵基液態(tài)金屬納米液滴的方法，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DDP 功能化鎵基液態(tài)金屬可作為潤滑添加劑，降低潤滑油的摩擦和磨損.將鎵基液態(tài)金屬按不同的比例加入到潤滑脂中，機(jī)械攪拌至均勻混合，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在潤滑脂中加入鎵基液態(tài)金屬可有效提高潤滑脂的極壓能力，當(dāng)鎵基液態(tài)金屬與特定的商用潤滑脂質(zhì)量比達(dá)到1∶1 時(shí)，焊縫載荷超過10 kN，為潤滑脂的最大值[12].西安交通大學(xué)Li 等[90]將共晶鎵銦合金注入銅基底表面，通過電化學(xué)反應(yīng)制備CuGa2薄膜，實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，鍍有CuGa2膜的銅基體摩擦系數(shù)降低43%，磨損率降低72%.鎵基液態(tài)金屬的氧化性和不穩(wěn)定性限制了其在潤滑領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，為解決這一問題，Li 等[91]采用球磨法制備了殼聚糖包裹的納米金屬液滴（NLMWC）作為水基潤滑劑添加劑，摩擦實(shí)驗(yàn)表明，在水中添加NLMWC 后，其摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了40%和69%.He 等[92]將小分子多巴胺正丁烯酰胺（DBA）自組裝到鎵基液態(tài)金屬納米液滴上，隨后通過表面引發(fā)自由基聚合法引入乙烯基反應(yīng)位點(diǎn)，將聚2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿（PMPC）接枝到鎵基液態(tài)金屬納米液滴上，得到PMPC-GLM 微凝膠.PMPCGLM 微凝膠具有顯著的抗菌性能，將其作為水性潤滑劑添加劑可使水的摩擦系數(shù)和磨損率分別降低65%和62%，在水性潤滑劑工作2 個(gè)月后，其摩擦性能基本不發(fā)生變化，PMPC-GLM 微凝膠可應(yīng)用到生物潤滑.

6）提高鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能

為提高鎵基液態(tài)金屬合金的潤滑能力，國內(nèi)外科研人員嘗試將具有良好潤滑性能的材料加入到鎵基液態(tài)金屬中，以提高其潤滑能力.Li 等[93]將具有良好潤滑性能的六方氮化硼加入到鎵基液態(tài)金屬合金中，摩擦實(shí)驗(yàn)表明，添加六方氮化硼后的鎵基液態(tài)金屬合金具有更好的摩擦學(xué)性能，降低了合金的摩擦系數(shù)和磨損率.Ma 等[94]通過機(jī)械削磨法制備摻銀鎵基液態(tài)金屬合金，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)銀的含量為1%時(shí)，鎵基液態(tài)金屬平均摩擦系數(shù)下降到0.32.對摩擦副材料表面進(jìn)行激光織構(gòu)，可以顯著提高鎵基液態(tài)金屬對摩擦副材料的潤滑效果.Li 等[95]提出了激光表面織構(gòu)技術(shù)處理摩擦副材料表面，以提高鎵基液態(tài)金屬的潤滑性能，對潤滑材料表面使用納秒激光進(jìn)行燒蝕，制備表面織構(gòu)面積占比不同的軸承鋼盤.在往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測試鎵基液態(tài)金屬對不同織構(gòu)比的AISI 52100 剛自配副的潤滑效果，結(jié)果表明，對鋼盤進(jìn)行表面織構(gòu)能提高鎵基液態(tài)金屬對鋼盤的潤滑性能，且織構(gòu)比為15%時(shí)，鎵基液態(tài)金屬對鋼盤的潤滑性能最佳.

3 鎵基液態(tài)金屬的發(fā)展展望

目前，鎵基液態(tài)金屬合金的研究主要集中在電子設(shè)備、芯片散熱、摩擦潤滑等領(lǐng)域，隨著時(shí)代發(fā)展，液態(tài)金屬合金在新型電子器件、新能源、國防建設(shè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.

1）隨著超大規(guī)模集成電路和電子設(shè)備的快速發(fā)展，散熱成為影響設(shè)備性能和壽命的主要問題.在改變合金的性能方面，通過改變鎵基液態(tài)金屬合金材料配比或添加其他純金屬材料制備出新型鎵基液態(tài)金屬合金，使得合金在熱導(dǎo)率和流動(dòng)性等方面有所提高.將該合金用于熱界面材料或冷卻劑，從而解決設(shè)備的散熱問題.

2）隨著高壓電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，其對高壓直流斷路系統(tǒng)的要求也會隨之提高.高壓直流斷路器件需要在十幾毫秒內(nèi)耗散百兆焦以上的巨大能量，現(xiàn)有的高壓直流開斷器件是通過不斷增加氧化鋅壓敏電阻的數(shù)量來消耗更大的系統(tǒng)能量.鎵基液態(tài)金屬在發(fā)生相變汽化的過程中會吸收大量能量，其耗能功率密度遠(yuǎn)高于氧化鋅壓敏電阻耗能功率密度，因此，可以利用鎵基液態(tài)金屬合金設(shè)計(jì)一種新型耗能器件，與氧化鋅壓敏電阻配合使用，促進(jìn)高壓直流開斷系統(tǒng)小型化、輕型化.

3）隨著能源需求的增長以及化石能源帶來的環(huán)境破壞，解決全球能源危機(jī)已經(jīng)迫在眉睫.有效利用太陽能是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)利用的解決方案之一.鎵基液態(tài)金屬合金已被廣泛利用于可充電電池，但在制造太陽能電池這一領(lǐng)域缺乏研究.將鎂金屬加入到共晶鎵銦合金中可提高材料61.5%的光熱轉(zhuǎn)化率，因此，可利用摻雜鎂金屬的鎵基液態(tài)金屬合金作為光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于太陽能電池，提高太陽能電池工作效率.

4）高速滑動(dòng)電接觸技術(shù)廣泛應(yīng)用于軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)、國防領(lǐng)域電磁彈射系統(tǒng)等.但其電接觸的潤滑材料是限制其發(fā)展的因素之一.鎵基液態(tài)金屬擁有低熔點(diǎn)、良好的流動(dòng)性、高電導(dǎo)率等諸多優(yōu)良特性.將鎵基液態(tài)金屬應(yīng)用于高速滑動(dòng)電接觸技術(shù)可有效增大電接觸界面接觸面積，減緩接觸界面機(jī)械摩擦，提高摩擦副服役壽命.

4 結(jié)束語

1）鎵基液態(tài)金屬因其良好的導(dǎo)電性和流動(dòng)性而廣泛應(yīng)用于電學(xué)內(nèi)諸多領(lǐng)域.在故障限流器領(lǐng)域因其自收縮效應(yīng)能迅速降低短路電流幅值，在柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域因其不定型、流動(dòng)性等特性應(yīng)用于柔性導(dǎo)線、微流體通道、3D 打印等.在電源儲能領(lǐng)域，因其自恢復(fù)、低熔點(diǎn)等特性而應(yīng)用于提高電池使用壽命、制備室溫全液態(tài)金屬電池等.在電驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，因其高表面張力、電濕潤特性將電能轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)力.在磁流體發(fā)電領(lǐng)域依靠其流體和金屬特性將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能.

2）鎵基液態(tài)金屬因其較高的熱導(dǎo)率而在熱學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.利用鎵基液態(tài)金屬制備成的熱界面材料，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱界面材料，在其中摻雜其他材料可改變其熱導(dǎo)率.此外，還可利用鎵基液態(tài)金屬固液相變吸熱機(jī)理將其應(yīng)用于高功率密度電力設(shè)備和電子產(chǎn)品的散熱系統(tǒng).

3）鎵基液態(tài)金屬由于其高合金密度、表面張力而應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域.鎵基液態(tài)金屬優(yōu)異的潤滑性能是因?yàn)槠溆米鳚櫥瑒r(shí)在摩擦界面會生成一層富鎵薄膜，且鎵基液態(tài)金屬分解溫度高，導(dǎo)電性好，具有較好的冷卻特性，可快速消散摩擦過程中產(chǎn)生的熱量.在極壓潤滑、載流摩擦等方面具有較廣闊的應(yīng)用前景.

4）鎵基液態(tài)金屬在材料改性、大功率能量耗散器件制造、太陽能電池研制和高速滑動(dòng)電接觸潤滑劑等方面的研究較少.因此，未來鎵基液態(tài)金屬的研究應(yīng)圍繞材料特性展開，提高其能量耗散密度、光熱轉(zhuǎn)化率和導(dǎo)熱導(dǎo)電系數(shù)，將其運(yùn)用到軌道交通、國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域.