鎵是一種非常有用的元素，它伴隨著整個20世紀(jì)人類文明的發(fā)展而發(fā)展。鎵被指定為技術(shù)關(guān)鍵元素，因?yàn)樗鼘τ谥圃彀雽?dǎo)體和晶體管必不可少。值得注意的是，氮化鎵和相關(guān)化合物可以發(fā)現(xiàn)藍(lán)色LED，這是開發(fā)節(jié)能高效且持久的白色LED照明系統(tǒng)的最終關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致授予2014年諾貝爾物理學(xué)獎。據(jù)估計(jì)，高達(dá)98%的鎵需求來自半導(dǎo)體和電子行業(yè)。

鎵除了用于電子領(lǐng)域外，其獨(dú)特的物理性質(zhì)還導(dǎo)致其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。鎵本身是一種熔點(diǎn)很低的金屬，在室溫(30°C)以上時是液體。而且，鎵能夠與多種其他金屬形成幾種共晶體系(熔點(diǎn)比其任何成分(包括鎵)低的合金)。純鎵和這些鎵基液態(tài)金屬合金均具有高表面張力，并且被認(rèn)為在大多數(shù)表面上是“不可擴(kuò)散的”。這使它們難以處理，成型或加工，從而限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。然而，最近的發(fā)現(xiàn)可能已經(jīng)釋放了鎵在功能材料領(lǐng)域中更廣泛使用的可能性。

韓國蔚山市基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)的多維碳材料中心(CMCM)和蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院(UNIST)的研究小組發(fā)明了一種將填料顆粒摻入液體中的新方法鎵以形成液態(tài)金屬的功能復(fù)合材料。填料的加入取決于添加的顆粒的量，將材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成糊狀或油灰狀形式(具有類似于商品“橡皮泥”的稠度和“感覺”)。在使用氧化石墨烯(GO)作為填充材料的情況下，GO含量為1.6?1.8%會形成糊狀，而3.6%的膩?zhàn)有纬勺罴??？茖W(xué)進(jìn)展。

鎵基液態(tài)金屬內(nèi)顆粒的混合會改變材料的物理性質(zhì)，從而使處理起來更加容易。第一作者王春暉指出：“液態(tài)鎵復(fù)合材料形成糊狀或膩?zhàn)拥哪芰κ欠浅Ｓ幸娴?。它消除了?yīng)用中鎵處理的大部分問題。它不再弄臟表面，可以將其涂或涂在表面上。幾乎可以在任何表面上將其模制成各種形狀。這為鎵開辟了前所未有的多種應(yīng)用。” 該發(fā)現(xiàn)的潛在應(yīng)用包括需要柔軟而靈活的電子設(shè)備的情況，例如在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療植入物中。研究甚至表明，該復(fù)合材料可制成具有極高耐熱性的多孔泡沫狀材料，

在這項(xiàng)研究中，研究小組能夠確定使填料與液體鎵成功混合的因素。通訊作者本杰明·坎寧(Benjamin Cunning)描述了先決條件：“液態(tài)鎵暴露于空氣中會形成氧化物'表皮'，這對于混合至關(guān)重要。這種表皮覆蓋了填料顆粒并使其穩(wěn)定在鎵內(nèi)，但這種表皮具有彈性。我們了解到必須使用足夠大的顆粒，否則將不會發(fā)生混合并且無法形成復(fù)合材料。”

Seunghwan和LEE Jaeson教授進(jìn)行的。導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，含金剛石的復(fù)合材料的整體導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)?110 W m-1 K-1，其中較大的填料顆粒會產(chǎn)生較大的導(dǎo)熱系數(shù)。這超過了市售導(dǎo)熱膏(79 W m-1 K-1)的導(dǎo)熱率超過50%。

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了鎵-金剛石混合物作為熱源和散熱器之間的熱界面材料(TIM)的有效性。有趣的是，盡管導(dǎo)熱系數(shù)較低，但具有較小尺寸金剛石顆粒的復(fù)合材料仍具有出色的實(shí)際冷卻能力。這種差異的原因是由于較大的鉆石顆粒更容易穿過大塊鎵突出，并在散熱器或熱源與TIM的界面處形成氣隙，從而降低了其有效性。(Ruoff指出，將來有一些可能的方法可以解決此問題。)

最后，該小組甚至創(chuàng)建并測試了一種由鎵金屬和市售有機(jī)硅膩?zhàn)?更好地稱為“傻膩?zhàn)?rdquo;)(Crayola LLC)的混合物制成的復(fù)合材料。最后一種類型的含鎵復(fù)合材料是通過完全不同的機(jī)制形成的，該機(jī)制涉及鎵的小液滴分散在整個膩?zhàn)幽佔(zhàn)又?。盡管它不具有上述Ga / rG-O令人印象深刻的EMI屏蔽能力(該材料需要2 mm的涂層才能達(dá)到相同的70 dB屏蔽效率)，但仍具有出色的機(jī)械性能。由于該復(fù)合材料使用有機(jī)硅聚合物而不是金屬鎵作為基礎(chǔ)材料，因此除了具有延展性之外，還具有可拉伸性。

CMCM主任Rod Ruoff教授想到了將此類碳填料與液態(tài)金屬混合的想法。他說：“我們于2019年9月首次提交了這項(xiàng)工作，此后進(jìn)行了幾次迭代。我們發(fā)現(xiàn)，液態(tài)鎵中可以摻入各種各樣的顆粒，并提供了對顆粒尺寸如何發(fā)揮作用的基本理解。我們發(fā)現(xiàn)這種行為擴(kuò)展到了在室溫以下呈液態(tài)的鎵合金，例如銦鎵，錫鎵和銦錫鎵，我們的UNIST合作者的能力已證明在這些方面的出色應(yīng)用復(fù)合材料，我們希望我們的工作能夠啟發(fā)其他人發(fā)現(xiàn)令人興奮的應(yīng)用帶來新的功能性填充劑。”

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