液態(tài)金屬

和簡單的非金屬液體有許多共同點，20世紀60年代以來對它研究較多。但人們對它的結(jié)構(gòu)細節(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，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)熔化時體積約收縮5%，Z增加，共價鍵部分地變?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r1隨溫度上升而稍改變，但g(r)基本特點不變。

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，同樣能得到與實驗一致的g(r)。通過傅里葉變換由衍射強度求得的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。

2015年3月，由清華大學教授、中國科學院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜帶領(lǐng)的中科院理化技術(shù)研究所、 清華大學醫(yī)學院聯(lián)合研究小組，發(fā)現(xiàn)了一種異常獨特的現(xiàn)象和機制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)了無需外部電力的自主運動。

液態(tài)金屬在砂型中流動時呈現(xiàn)出如下水力學特性:

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，當液態(tài)金屬中出現(xiàn)晶體時，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，往往不能很好地貼附于管壁，此時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)實踐中的測試和計算證明，液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中流動時，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，液流在直徑為20mm的直澆道中以50cm/s的速度流動時，其雷諾數(shù)為25000，遠大于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Re<20000時，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澆試驗證明:允許的最大雷諾數(shù)，在直澆道內(nèi)應不超過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。

(1)散熱性能在三種對比方案中最為優(yōu)秀;

(2)在熱流密度進一步提高的情況下，液態(tài)金屬方案是解決極限熱流的最優(yōu)選擇;

(3)液態(tài)金屬的高電導屬性使其可采用無任何運動部件的電磁泵驅(qū)動，驅(qū)動效率高，能耗低，而且沒有任何噪音;

(4)液態(tài)金屬管道布置靈活，可進行多次彎折，易實現(xiàn)長距離熱量傳輸;

(5)液態(tài)金屬不易蒸發(fā)，不易泄漏，安全無毒，物化性質(zhì)穩(wěn)定，是一種非常安全的流動工質(zhì)，能保證大功率散熱系統(tǒng)(>1KW)的高效，長期，穩(wěn)定運行。 總體而言，依米康液態(tài)金屬優(yōu)秀的導熱和熱量輸運能力，液態(tài)金屬散熱技術(shù)可為大功率散熱需求提供全面而高效的解決方案，其必將在工業(yè)界衍生出系列嶄新方法、應用和產(chǎn)品，可望在工業(yè)、民用，乃至軍工領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。