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美国军用液态金属技术研究进展分析

2018-06-13 12:23:27
作者:中国航空工业发展研究中心 胡燕萍
来源:空天防务观察

目前AFRL的液态金属天线技术已完成实验室阶段的可行性验证和原型件试制,利用液态金属制成的天线原型件可在70兆赫~7吉赫范围内,按需调节工作频率,达到“以一替多”,实现飞机通信设备精简和系统减重等目的;AFRL通过3D打印出了液态金属柔性电路样件,精度达到了微米级;美国大学和研究机构正开展液态金属机器人机理研究。

   

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    2017年以来,美空军研究实验室(AFRL)连续披露其液态金属研发工作的最新进展,显示出美国在液态金属应用研究领域得到了快速发展。目前AFRL的液态金属天线技术已完成实验室阶段的可行性验证和原型件试制,利用液态金属制成的天线原型件可在70兆赫~7吉赫范围内,按需调节工作频率,达到“以一替多”,实现飞机通信设备精简和系统减重等目的;AFRL通过3D打印出了液态金属柔性电路样件,精度达到了微米级;美国大学和研究机构正开展液态金属机器人机理研究。


    一、镓铟合金是最具应用前景的液态金属

 

    液态金属通常是指熔点低于200℃的低熔点合金,其中室温液态金属的熔点更低,在室温下即呈液态。自然界存在的室温液态纯金属有汞、铯、钫和镓,熔点分别是-38.87℃、28.65℃、27℃和29.8℃。汞的挥发性较大,且有毒,含汞残余物进入生态循环会对人类和环境造成危害,因此仅限于科学研究,大规模生产和应用受限。铯和钫属于性质活泼的碱性金属,铯在空气中极易被氧化,和水会发生剧烈反应,而钫则是一种不稳定的放射性元素,限制了其应用开发。

 

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 镓铟合金(左侧)及由该合金支撑的液态金属液滴阵列(美国北卡罗来纳州州立大学图片)

 

    因此,从上世纪九十年代末起,国外科学家开始重点研究镓合金,代替汞开展液态金属的机理探索和应用研究。镓无毒,在手掌上就可化为液态,合金性能稳定,具有良好的介电性能和热胀冷缩性能。通过加入其他元素,可形成镓合金来调节熔点。研究表明,当镓中加入铟元素,形成的镓铟共晶合金,其熔点可在零摄氏度以下,用于电路设计,可通过机械、电压等外部作用,对电路中镓铟液态金属的形貌、位置等进行控制,可实现灵活设计,且易于电路重构,颠覆了传统铜制电路灵活性不足且难以更改重构的缺点。


    二、镓铟液态金属在射频天线和印刷柔性电路领域快速走向应用

 

    目前,美军镓铟液态金属军用天线已完成原型件验证,未来十年内有望装机应用;液态金属3D打印作为柔性电子器件制造的最新前沿技术,为常温下直接制造柔性导线、执行器、电极系统、可穿戴式机械外骨骼的元器件,开辟了一条方便快捷且有望实现普及化应用的途径。


    1. 镓铟液态金属天线频率可调,颠覆了传统军用天线系统设计

 

    为满足不同任务需求,军用飞机常需配装数十副天线,覆盖8~9种不同的工作频率。多个天线通常会造成系统构造复杂、增重以及信号间的干扰,使系统整体性能下降。美国科学家于2009年提出液态金属多频天线的概念,并在实验室环境下证实了镓液态金属天线的性能。2011年,美国南卡罗莱纳州立大学,首次研制出常温液态的镓铟共晶合金,并制备出在1.91吉赫~1.99吉赫范围内频率可调的镓铟液态金属天线原理件,成功验证了技术可行性。2015年,该研究团队又采用新的电压驱动模式,实现了对合金形貌和位置的控制,研制出工作频率在0.66吉赫~3.4吉赫范围内可调的镓铟液态金属天线。

 

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左:2011年研制出的原理样件;右:2017年AFRL展示的液态金属共形天线原型件

 

    美国南卡罗莱纳州立大学2011年的研究成果引起了美空军的高度关注。2012年AFRL的制造材料、传感器、航空航天系统各部门联合启动液态金属天线应用研究项目,重点解决液态金属在军用环境下的服役温度和更宽频率范围的可调问题,推进液态金属天线的工程化进程。2015年该实验室通过镓铟共晶合金的成分调整,成功将液态金属熔点降到-19℃,随后进一步开展降熔点和扩频率的研究工作。2016年通过对镓铟合金进行成分优化,加入锡、硒、碲等元素,成功将液态金属的熔点降到-28℃,基本满足了装备实际应用环境需求。2017年6月,该实验室披露其通过复杂电路设计,成功研制在70兆赫~7吉赫工作频率范围内,可按需调节工作频率的液态金属天线原型件,并证实该天线在实验室环境下能够有效完成任务。目前,美军正在加速推进该技术的成熟,以便用于装备。AFRL的下一步计划是找出这种新型材料与传统半导体技术的集成方法,在无人机(如MQ-9“死神”)上进行试验验证。


    与传统天线相比,液态金属天线有四大优势:①频率可调,具备多个工作频率;②不易断裂,更为耐用;③设计灵活,可重构;④系统减重,小型化。


    2. 镓铟液态金属可制成导电“墨水”,打印柔性电路

 

    镓铟液态金属用作3D打印柔性电路的“墨水材料”,“墨水”配制简单,无需后处理,电导率相对较高,是一种理想的3D打印柔性电路原材料。


    2012年前后,AFRL开始液态金属3D打印军用柔性电路应用研究。2015年4月,在该实验室的资助下,美国普渡大学研发出名为“机械烧结镓铟纳米颗粒”的液态金属喷墨打印的批量化生产方法,能在多种弹性材料和纤维上打印出柔性电路。这种方法的工艺流程是:首先将经过声波处理的液态金属放入乙醇溶剂中,在溶剂中形成纳米粒子并均匀分布;然后可在多种衬底上进行打印;最后乙醇挥发,就能获得液态金属纳米粒子的打印电路,精度可达到微米级。目前研究人员先后通过机械给料、电压等方式,初步达到了对合金液滴的表面张力控制,实现了液滴聚集、分散或是尺寸变形,但要精确实现聚集的数量、形变尺寸控制等还需要更进一步的研究。科研人员表示,下一步通过对液态金属表面张力的控制,重点研究“墨水”与基底表面间的相互作用,以便生产出满足结合强度要求的各类实用器件。

 

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美空军研究实验室用液态金属显示出该实验室名称英语缩略语(美空军研究实验室图片)

 

    3. 液态金属内部机理揭露有望奠定柔性机器人的技术基础

 

    目前的机器人还主要依靠传统材料,体型较为庞大、结构刚性、行动不够灵活。液态金属改变了人们对传统材料的认识,将成为机器人发展的重要突破。液态金属不仅可制作机器人的柔性导线、执行器、电极系统等电子系统,还可制成神经、肌肉、骨骼等。采用液态金属电极制造人工肌肉,可以确保较高的顺应性,变形率高达300%,显着优于采用传统刚性金属;利用液态金属制成的具有传感功能的神经系统可摆脱传统刚性传感器的限制,搭配柔性多自由度、无刚性结构肌肉,与生物机体运动高度契合;而液态金属的低熔点固液态转换机制,使得液态金属制造的人造外骨骼在需要时变成液态,能够在狭小的空间穿行。目前,美国大学和研究机构主要开展液态金属自驱动机制、成分配比、内部结构、宏微观本征性能方面等基础理论研究。随着研究的深入,液态金属材料将为柔性可变形智能机器人研制打开全新视野。

 

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《终结者2:审判日》中的T-1000液态金属杀手机器人。本文采用此图,以向该科幻影片和材料科技致敬

 

    三、结束语

 

    液态金属是美军高度重视的新材料技术领域,对于革新军用电子电路系统、机器人等具有重要意义。我们通过公开文献报道发现,我国中科院理化技术研究所、浙江大学等单位已开展了液态金属3D打印、液态金属界面接触机理等方面的研究,部分研究成果如液态金属3D打印机研制、液态金属自驱动机制揭示等方面,达到国际领先水平。


    但是,针对军事领域的应用,液态金属天线开发、柔性电子屏和电路板打印等面向工程化应用的成果还较少,与国外存在一定差距。为此,我们建议:一是在该领域大力发挥军民融合优势,联合国内材料、制造、子系统多专业的军民研究力量,组建研究团队;二是聚焦天线、柔性电路、机器人等液态金属重点研究方向,设立国家研究项目,重点攻关工程化应用中的液态金属精确控制、液态金属电路与传统电子电路接口等问题,加快液态金属材料技术成果向武器装备转化。

 

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责任编辑:王元


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标签: 美国军用, 液态金属, 镓铟合金, 应用

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