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液態(tài)金屬
不定型金屬
液態(tài)金屬成形過程及控制，液態(tài)金屬充型過程的水力學(xué)特性及流動情況充型過程對鑄件質(zhì)量的影響很大可能造成的各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，都是在液態(tài)金屬充型不利的情況下產(chǎn)生的。正確地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地充滿型腔，對保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。單質(zhì)中只有汞是液態(tài)金屬，鎵、銣、銫是低熔點(diǎn)金屬。
金屬特性
液態(tài)金屬在砂型中流動時(shí)呈現(xiàn)出如下水力學(xué)特性：
1.粘性流體流動：液態(tài)金屬是有粘性的流體。液態(tài)金屬的粘性與其成分有關(guān)，在流動過程中又隨液態(tài)金屬溫度的降低而不斷增大，當(dāng)液態(tài)金屬中出現(xiàn)晶體時(shí)，液體的粘度急劇增加，其流速和流態(tài)也會發(fā)生急劇變化。
2.不穩(wěn)定流動：在充型過程中液態(tài)金屬溫度不斷降低而鑄型溫度不斷增高，兩者之間的熱交換呈不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著液流溫度下降，粘度增加，流動阻力也隨之增加；加之充型過程中液流的壓頭增加或和減少，液態(tài)金屬的流速和流態(tài)也不斷變化，導(dǎo)致液態(tài)金屬在充填鑄型過程中的不穩(wěn)定流動。
3.多孔管中流動：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統(tǒng)和型腔看作是多孔的管道和容器。液態(tài)金屬在“多孔管”中流動時(shí)，往往不能很好地貼附于管壁，此時(shí)可能將外界氣體卷入液流，形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。
4.紊流流動：生產(chǎn)實(shí)踐中的測試和計(jì)算證明，液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中流動時(shí)，其雷諾數(shù)Re大于臨界雷諾數(shù)Re臨，屬于紊流流動。例如ZL104合金在670℃澆注時(shí)，液流在直徑為20mm的直澆道中以50cm/s的速度流動時(shí)，其雷諾數(shù)為25000，遠(yuǎn)大于2300的臨界雷諾數(shù)。對一些水平澆注的薄壁鑄件或厚大鑄件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到層流流動。輕合金優(yōu)質(zhì)鑄件澆注系統(tǒng)的研究表明，當(dāng)Re<20000時(shí)，液流表面的氧化膜不會破碎，如果將雷諾數(shù)控制在4000～10000，就可以符合生產(chǎn)鋁合金和鎂合金優(yōu)質(zhì)鑄件的要求。有人通過水力模擬和鋁合金鑄件的實(shí)澆試驗(yàn)證明：允許的最大雷諾數(shù)，在直澆道內(nèi)應(yīng)不超過10000，橫澆道內(nèi)不超過7000，內(nèi)澆道內(nèi)不超過1100，型腔內(nèi)不超過280。綜上分析，影響金屬液流動的平穩(wěn)性的主要因素是金屬液的流動速度和澆注系統(tǒng)的形狀及截面尺寸。
研究
和簡單的非金屬液體有許多共同點(diǎn)，20世紀(jì)60年代以來對它研究較多。但人們對它的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)仍不清楚。熔融金屬的X射線或中子散射可得其徑向分布函數(shù)g(r)，它在平均意義上描述熔體結(jié)構(gòu)。當(dāng)r<σ(σ為原子有效直徑，圖1)，g(r)=0，說明原子似硬球，不能互相貫穿，r大于2～3nm時(shí)，原子完全無規(guī)排列,g(r)→1。原子周圍最近鄰的原子數(shù)叫配位數(shù)Z，其中ρ0是熔體粒子數(shù)密度。絕大多數(shù)金屬熔化時(shí)體積約增大5%，原子序數(shù)Z減小，金屬鍵不變。少數(shù)“反常金屬”（如Ga、Ge、Bi、Sb等）熔化時(shí)體積約收縮5%，Z增加，共價(jià)鍵部分地變?yōu)榻饘冁I。各種金屬熔化后結(jié)構(gòu)趨于相近，Z在9～12左右。熔體的Z和r隨溫度上升而稍改變，但g(r)基本特點(diǎn)不變。
液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。自由電子受到“贗原子”（它由正離子和起屏蔽作用的自由電子云組成）的很弱的勢作用。兩個正離子間，除了直接的靜電排斥勢外，還有一種間接的通過自由電子氣而相互作用的勢，上述兩種勢的疊加稱為原子-原子的有效勢φ(r)。理論分析指出：φ(r)在長程內(nèi)有振蕩（圖2）。人們已建立聯(lián)系φ(r)和g(r)的積分方程，可以從φ(r)求解g(r)，或從g(r)求期φ(r)。用“硬球模型”可很好地闡明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和某些熱力學(xué)性質(zhì)。倘若取φ(r)為“硬球勢”，并配以合適的硬球直徑，同樣能得到與實(shí)驗(yàn)一致的g(r)。通過傅里葉變換由衍射強(qiáng)度求得的g(r)總有一定誤差，人們至今不能肯定或否定熔體φ(r)振蕩的存在。
技術(shù)
中國液態(tài)金屬變形技術(shù)
《不同構(gòu)象之間的液態(tài)金屬多變形性》論文，揭示出室溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運(yùn)動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動，乃至發(fā)生液球之間的自動融合、斷裂-再合并等行為，且不受液態(tài)金屬對象大小的限制；較為獨(dú)特的是，一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內(nèi)即收縮為單顆金屬液球，變形過程十分快速，而表面積改變幅度可高達(dá)上千倍；此外，在外電場作用下，大量彼此分離的金屬液球可發(fā)生相互粘連及合并，直至融合成單一的液態(tài)金屬球；依據(jù)于電場控制，液態(tài)金屬極易實(shí)現(xiàn)高速的自旋運(yùn)動，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的漩渦對；若適當(dāng)調(diào)整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運(yùn)動方式轉(zhuǎn)為單一的快速定向移動。研究表明，造成這些變形與運(yùn)動的機(jī)制之一在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。以上豐富的物理學(xué)圖景革新了人們對于自然界復(fù)雜流體、軟物質(zhì)特別是液態(tài)金屬材料學(xué)行為的基本認(rèn)識。這些超越常規(guī)的物體構(gòu)象轉(zhuǎn)換能力很難通過傳統(tǒng)的剛性材料或流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，它們事實(shí)上成為用以構(gòu)筑可變形智能機(jī)器的基本要素，為可變形體特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造開辟了全新途徑。
成就
劉靜小組的發(fā)現(xiàn)，為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，一定程度上從理論和技術(shù)的層面論證了實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性；事實(shí)上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范疇，如制造柔性執(zhí)行器，控制目標(biāo)流體或傳感器的定向運(yùn)動、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機(jī)器等。若采用空間架構(gòu)的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴(kuò)展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機(jī)器；甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環(huán)境下，也可發(fā)展對應(yīng)的機(jī)器來執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。
中國研制出世界首臺自主運(yùn)動可變形液態(tài)金屬機(jī)器
原標(biāo)題：中科院與清華聯(lián)合研制出世界首臺自主運(yùn)動可變形液態(tài)金屬機(jī)器
中國科學(xué)家造出了世界首臺液態(tài)金屬機(jī)器，這一成就被外媒形容為制造出“終結(jié)者”。
據(jù)中科院理化所網(wǎng)站，3月3日，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文，迅速被New Scientist、Nature研究亮點(diǎn)、Science新聞等數(shù)十個知名科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站專題報(bào)道，在國際上引起重要反響和熱議。
此項(xiàng)研究于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長時(shí)間高速運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這是該小組繼首次發(fā)現(xiàn)電控可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014,封面文章；Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性發(fā)現(xiàn)。
這種液態(tài)金屬機(jī)器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨(dú)立的柔性機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。文章被選為期刊內(nèi)前封面故事，Altmetric計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)顯示其指數(shù)已達(dá)71.0，遠(yuǎn)高于期刊平均值6.7，在同時(shí)期論文中則排名No.1。
研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動直徑約5 mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長達(dá)1個多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動，速度高達(dá)5cm/s。這種柔性機(jī)器既可在自由空間運(yùn)動，又能于各種結(jié)構(gòu)槽道中蜿蜒前行；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個過程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。
應(yīng)該說，液態(tài)金屬機(jī)器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)接近一些自然界簡單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運(yùn)動，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動物。這一人工機(jī)器的發(fā)明同時(shí)也引申出“如何定義生命”的問題。
目前，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機(jī)器，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中運(yùn)動。試驗(yàn)和理論分析表明，此種自主型液態(tài)金屬機(jī)器的動力機(jī)制來自兩方面：一是發(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應(yīng)會形成內(nèi)生電場，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱響應(yīng)，繼而對易于變形的液態(tài)金屬機(jī)器造成強(qiáng)大推力；與此同時(shí)，上述電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣也進(jìn)一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達(dá)行為，這種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制對于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動力系統(tǒng)也具重要啟示意義。
可變形液態(tài)金屬機(jī)器在內(nèi)含電解液的容器或各種槽道中的自主運(yùn)動情形
在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，論文還特別展示了首個無需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運(yùn)等，成本極低；若將此類柔型泵用作降溫，還可實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進(jìn)一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。
刊載上述首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的文章在線發(fā)表后，短時(shí)間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。New Scientist在第一時(shí)間以文章和精心制作的視頻進(jìn)行了報(bào)道：“液態(tài)金屬朝可變形機(jī)器人邁進(jìn)一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“將成為今后電影中人工生命的種子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”；Nature雜志在其研究亮點(diǎn)欄目以“液態(tài)金屬馬達(dá)靠自身運(yùn)動(Liquid metal motor moves by itself)”為題進(jìn)行了報(bào)道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：“可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”；路透社也對此進(jìn)行了專門報(bào)道。
液態(tài)金屬
眾多報(bào)道此項(xiàng)工作的科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站還有，物理學(xué)家組織網(wǎng)站：“可在液體中自行驅(qū)動的可變形液態(tài)金屬(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”；化學(xué)和工程新聞C&EN：“旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬馬達(dá)(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”；Uncover California：“世界首個液態(tài)金屬機(jī)器人(World's First Liquid Metal Robot)”；Siliconrepublic：“首個終結(jié)者型液態(tài)馬達(dá)問世，具無限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”；鏡報(bào)mirror：“真實(shí)的終結(jié)者1000液態(tài)金屬馬達(dá)(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”；Popular Science：“終結(jié)者智能液態(tài)金屬或?yàn)樾乱惠嗆妭涓傎惖牡谝徊?Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”；Space Daily等：“液態(tài)金屬機(jī)器人幾乎已在這兒，并且他們由中國制造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”；Popular Mechanics：“終結(jié)者1000機(jī)器人或許就由這種自主行走的液態(tài)金屬制成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”；更多網(wǎng)站則紛紛展望了這一開創(chuàng)性技術(shù)在機(jī)器人、藥物遞送、血管和環(huán)境監(jiān)測等方面的應(yīng)用前景，認(rèn)為“機(jī)器人工業(yè)正邁向不可思議的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”，“顯然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”，“這是許多潛在商業(yè)用途的源泉，對于世界各國的工業(yè)界和政府會有巨大的興趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。
大家都看過《終結(jié)者2》，里頭的大反派T-1000 液態(tài)金屬機(jī)器人那幾乎不死的能力讓人不寒而栗
據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，文章發(fā)表兩周左右即已有數(shù)百個科學(xué)或?qū)I(yè)網(wǎng)站對此進(jìn)行了評介和轉(zhuǎn)載，說明了本項(xiàng)研究工作的影響。
自驅(qū)動液態(tài)金屬機(jī)器的問世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。劉靜小組關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)和相應(yīng)機(jī)器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級的柔性智能機(jī)器人技術(shù)開辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
研發(fā)
液態(tài)金屬
參考資料
[1]
中國研制出世界首臺自主運(yùn)動可變形液態(tài)金屬機(jī)器 · 鳳凰網(wǎng)[引用日期2015-03-25]
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作者
