美國軍用液態金屬技術研究進展分析

作者：胡燕萍

2017年以來，美空軍研究實驗室（AFRL）連續披露其液態金屬研發工作的最新進展，顯示出美國在液態金屬應用研究領域得到了快速發展。目前AFRL的液態金屬天線技術已完成實驗室階段的可行性驗證和原型件試製，利用液態金屬製成的天線原型件可在70兆赫～7吉赫範圍內，按需調節工作頻率，達到「以一替多」，實現飛機通信設備精簡和系統減重等目的；AFRL通過3D列印出了液態金屬柔性電路樣件，精度達到了微米級；美國大學和研究機構正開展液態金屬機器人機理研究。

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鎵銦合金是最具應用前景的液態金屬

液態金屬通常是指熔點低於200℃的低熔點合金，其中室溫液態金屬的熔點更低，在室溫下即呈液態。自然界存在的室溫液態純金屬有汞、銫、鈁和鎵，熔點分別是-38.87℃、28.65℃、27℃和29.8℃。汞的揮發性較大，且有毒，含汞殘餘物進入生態循環會對人類和環境造成危害，因此僅限於科學研究，大規模生產和應用受限。銫和鈁屬於性質活潑的鹼性金屬，銫在空氣中極易被氧化，和水會發生劇烈反應，而鈁則是一種不穩定的放射性元素，限制了其應用開發。

鎵銦合金（左側）及由該合金支撐的液態金屬液滴陣列（美國北卡羅來納州州立大學圖片）

因此，從上世紀九十年代末起，國外科學家開始重點研究鎵合金，代替汞開展液態金屬的機理探索和應用研究。鎵無毒，在手掌上就可化為液態，合金性能穩定，具有良好的介電性能和熱脹冷縮性能。通過加入其他元素，可形成鎵合金來調節熔點。研究表明，當鎵中加入銦元素，形成的鎵銦共晶合金，其熔點可在零攝氏度以下，用於電路設計，可通過機械、電壓等外部作用，對電路中鎵銦液態金屬的形貌、位置等進行控制，可實現靈活設計，且易於電路重構，顛覆了傳統銅製電路靈活性不足且難以更改重構的缺點。

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鎵銦液態金屬在射頻天線和印刷柔性電路領域快速走嚮應用

目前，美軍鎵銦液態金屬軍用天線已完成原型件驗證，未來十年內有望裝機應用；液態金屬3D列印作為柔性電子器件製造的最新前沿技術，為常溫下直接製造柔性導線、執行器、電極系統、可穿戴式機械外骨骼的元器件，開闢了一條方便快捷且有望實現普及化應用的途徑。

1. 鎵銦液態金屬天線頻率可調，顛覆了傳統軍用天線系統設計

為滿足不同任務需求，軍用飛機常需配裝數十副天線，覆蓋8～9種不同的工作頻率。多個天線通常會造成系統構造複雜、增重以及信號間的干擾，使系統整體性能下降。美國科學家於2009年提出液態金屬多頻天線的概念，並在實驗室環境下證實了鎵液態金屬天線的性能。2011年，美國南卡羅萊納州立大學，首次研製出常溫液態的鎵銦共晶合金，並製備出在1.91吉赫～1.99吉赫範圍內頻率可調的鎵銦液態金屬天線原理件，成功驗證了技術可行性。2015年，該研究團隊又採用新的電壓驅動模式，實現了對合金形貌和位置的控制，研製出工作頻率在0.66吉赫～3.4吉赫範圍內可調的鎵銦液態金屬天線。

左：2011年研製出的原理樣件；右：2017年AFRL展示的液態金屬共形天線原型件

美國南卡羅萊納州立大學2011年的研究成果引起了美空軍的高度關注。2012年AFRL的製造材料、感測器、航空航天系統各部門聯合啟動液態金屬天線應用研究項目，重點解決液態金屬在軍用環境下的服役溫度和更寬頻率範圍的可調問題，推進液態金屬天線的工程化進程。2015年該實驗室通過鎵銦共晶合金的成分調整，成功將液態金屬熔點降到-19℃，隨後進一步開展降熔點和擴頻率的研究工作。2016年通過對鎵銦合金進行成分優化，加入錫、硒、碲等元素，成功將液態金屬的熔點降到-28℃，基本滿足了裝備實際應用環境需求。2017年6月，該實驗室披露其通過複雜電路設計，成功研製在70兆赫～7吉赫工作頻率範圍內，可按需調節工作頻率的液態金屬天線原型件，並證實該天線在實驗室環境下能夠有效完成任務。目前，美軍正在加速推進該技術的成熟，以便用於裝備。AFRL的下一步計劃是找出這種新型材料與傳統半導體技術的集成方法，在無人機（如MQ-9「死神」）上進行試驗驗證。

與傳統天線相比，液態金屬天線有四大優勢：頻率可調，具備多個工作頻率；不易斷裂，更為耐用；設計靈活，可重構；系統減重，小型化。

2. 鎵銦液態金屬可製成導電「墨水」，列印柔性電路

鎵銦液態金屬用作3D列印柔性電路的「墨水材料」，「墨水」配製簡單，無需後處理，電導率相對較高，是一種理想的3D列印柔性電路原材料。

2012年前後，AFRL開始液態金屬3D列印軍用柔性電路應用研究。2015年4月，在該實驗室的資助下，美國普渡大學研發出名為「機械燒結鎵銦納米顆粒」的液態金屬噴墨列印的批量化生產方法，能在多種彈性材料和纖維上列印出柔性電路。這種方法的工藝流程是：首先將經過聲波處理的液態金屬放入乙醇溶劑中，在溶劑中形成納米粒子並均勻分布；然後可在多種襯底上進行列印；最後乙醇揮發，就能獲得液態金屬納米粒子的列印電路，精度可達到微米級。目前研究人員先後通過機械給料、電壓等方式，初步達到了對合金液滴的表面張力控制，實現了液滴聚集、分散或是尺寸變形，但要精確實現聚集的數量、形變尺寸控制等還需要更進一步的研究。科研人員表示，下一步通過對液態金屬表面張力的控制，重點研究「墨水」與基底表面間的相互作用，以便生產出滿足結合強度要求的各類實用器件。

美空軍研究實驗室用液態金屬顯示出該實驗室名稱英語縮略語（美空軍研究實驗室圖片）

3. 液態金屬內部機理揭露有望奠定柔性機器人的技術基礎

目前的機器人還主要依靠傳統材料，體型較為龐大、結構剛性、行動不夠靈活。液態金屬改變了人們對傳統材料的認識，將成為機器人發展的重要突破。液態金屬不僅可製作機器人的柔性導線、執行器、電極系統等電子系統，還可製成神經、肌肉、骨骼等。採用液態金屬電極製造人工肌肉，可以確保較高的順應性，變形率高達300%，顯著優於採用傳統剛性金屬；利用液態金屬製成的具有感測功能的神經系統可擺脫傳統剛性感測器的限制，搭配柔性多自由度、無剛性結構肌肉，與生物機體運動高度契合；而液態金屬的低熔點固液態轉換機制，使得液態金屬製造的人造外骨骼在需要時變成液態，能夠在狹小的空間穿行。目前，美國大學和研究機構主要開展液態金屬自驅動機制、成分配比、內部結構、宏微觀本徵性能方面等基礎理論研究。隨著研究的深入，液態金屬材料將為柔性可變形智能機器人研製打開全新視野。

《終結者2：審判日》中的T-1000液態金屬殺手機器人。本文採用此圖，以向該科幻影片和材料科技致敬

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結束語

液態金屬是美軍高度重視的新材料技術領域，對於革新軍用電子電路系統、機器人等具有重要意義。我們通過公開文獻報道發現，我國中科院理化技術研究所、浙江大學等單位已開展了液態金屬3D列印、液態金屬界面接觸機理等方面的研究，部分研究成果如液態金屬3D印表機研製、液態金屬自驅動機制揭示等方面，達到國際領先水平。

但是，針對軍事領域的應用，液態金屬天線開發、柔性電子屏和電路板列印等面向工程化應用的成果還較少，與國外存在一定差距。為此，我們建議：一是在該領域大力發揮軍民融合優勢，聯合國內材料、製造、子系統多專業的軍民研究力量，組建研究團隊；二是聚焦天線、柔性電路、機器人等液態金屬重點研究方向，設立國家研究項目，重點攻關工程化應用中的液態金屬精確控制、液態金屬電路與傳統電子電路介面等問題，加快液態金屬材料技術成果向武器裝備轉化。

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