Характерным для жидкого металла является

Казалось бы, довести латунь, медь или бронзу до текучего состояния можно лишь в доменной печи. Но разработчикам жидкого металла удалось добиться невозможного. В нашем распоряжении появился материал, который можно наносить, как краску, превращая любые твердые предметы в металлические. В буквальном смысле слова.

До недавней поры «металлизировать» поверхность можно было лишь при помощи красок. И нельзя сказать, что этот способ плох.

Имитация меди, бронзы, стали и даже золота бывают столь достоверными, что даже придирчивый зритель не распознает подделку. У окрашивания есть только один недостаток — недолговечность.

Насыщенное пигментом покрытие зачастую стирается от легкого прикосновения, и очень скоро его приходится в лучшем случае обновлять, а в худшем — переделывать.

Ситуация в корне изменилась, когда на рынке появился так называемый жидкий металл. Разумеется, это не ртуть, не термопаста и не пришедший из будущего терминатор Т-1000. Речь идет о декоративном покрытии, которое на 95% состоит из тончайшей металлической пыли. Остальные 5% приходятся на композитное связующее, которое обеспечивает отделочному слою удивительную прочность.

Да, жидкий металл куда более износостоек, чем самая прочная краска. Сила его сцепления с подложкой настолько велика, что поверхность можно не только шлифовать и полировать, но даже наносить на нее гравировку.

Справедливости ради стоит отметить, что покрытие является металлическим как в хорошем, так и в плохом смысле слова. Со временем поверхность может окислиться, покрыться патиной или попросту заржаветь, если оставить ее без соответствующего ухода. И если естественное старение не входит в планы декоратора, нужно воспользоваться обычными защитными лаками для металла.

Жидкий металл обладает всеми характеристиками литого изделия. Это касается не только цвета, блеска и текстуры, но также теплопроводности, магнитных свойств и проч.

При помощи жидкого металла можно отделать любую прочную твердую поверхность. Покрытие выпускается во множестве вариантов — медь, бронза, латунь, серебро, золото и т.д.

Декораторы быстро «распробовали» этот удивительный материал и уже довольно активно используют его в отделке интерьера, украшая стены, потолки, лепнину и мебель. Да и для наружных работ нет никаких противопоказаний, главное — не забывать про антикоррозийную защиту.

Но можно ли назвать жидкий металл материалом без недостатков? К сожалению, нет. Первый и основной минус — высокая цена. Так, за упаковку весом 1 кг, от зарубежного производителя, придется заплатить около 8000 руб. Впрочем, в последнее время на нашем рынке появились отечественные аналоги, которые стоят почти в два раза дешевле.

Также стоит отметить, что жидкий металл нельзя назвать безопасным и экологически чистым продуктом. После затвердевания он становится нейтральным, но сам процесс смешивания компонентов сопровождается довольно активной химической реакцией. И чтобы обезопасить себя, необходимо использовать защитные перчатки и респиратор. Впрочем, процесс отделки стоит рассмотреть подробно.

Как уже говорилось выше, жидким металлом можно покрыть любую твердую плотную поверхность.

Но перед отделкой ее необходимо тщательно очистить от пыли, жира и других загрязнений, а потом воспользоваться грунтом.

И если отделке подлежит гладкий предмет, от которого нужно добиться зеркального блеска, грунт желательно отшлифовать мелкой наждачной бумагой и еще раз тщательно обеспылить.

Если пренебречь подготовительной работой, жидкий металл будет ложиться неровно, образуя потеки. А это приведет к перерасходу недешевого материала

Следующий этап — приготовление отделочного состава. Очень важно смешивать компоненты в строжайшем соответствии с пропорциями, которые указаны производителем. Если нарушить их, жидкий металл затвердеет слишком быстро, или же не затвердеет совсем.

Если покрытие будет наноситься шпателем или кистью, достаточно смешать наполнитель и отвердитель. В результате образуется постепенно густеющая паста, которая может ложиться немного неровно.

Следы мазков убирают уже после затвердевания жидкого металла при помощи нескольких 3-5 видов наждачной бумаги разной степени зернистости, двигаясь от крупной фракции абразива к мелкой.

Утомительной шлифовки можно избежать, если наносить металл краскопультом. Но в этом случае покрытие нужно развести, сделав максимально жидким и текучим. Для этого существует специальный разбавитель. Когда и в каких пропорциях нужно его добавлять, указано в инструкции производителя.

Жидкий металл наносят в несколько этапов, по технологии «мокрое по мокрому», то есть новый слой накладывают, не дожидаясь высыхания предыдущего

Толщина покрытия варьируется в среднем от 0,1 до 2 мм. После нанесения по той или иной технологии покрытие нужно оставить до полного затвердевания, которой составляет обычно 24 часа.

И заключительный этап — полировка. Для этих целей можно использовать металлическую шерсть, мягкие абразивные губки, войлочные шлифовальные бруски и проч.

А полировочные пасты для металла еще больше усилят благородный металлический блеск.

Жидкий металл: структура, свойства :

Сегодня уже поколебалось привычное представление о том, что металл в обычном состоянии – вещество твердое. Долгое время считалось, что единственное исключение из этого утверждения – ртуть, которая в жидком состоянии остается до -39° C. Ответ на вопрос о том, какой металл жидкий, не так однозначен.

Жидкие металлы в природе

На самом деле ртуть не является единственным в мире жидким металлом. Известны еще галлий, цезий и франций, которые находятся в жидком состоянии до +30° C.

Галлий очень широко применяется, например, в электронике. Кроме того, что он плавится при низких температурах, галлий, и это главное его достоинство, закипает при температуре не ниже 2230° C. Необычайно широкий интервал расплава дает возможность использовать этот элемент в работе атомных реакторов.

Не менее востребованным элементом является цезий, несмотря на то что его в земной коре крайне мало и добыча его затруднена.

А вот радиоактивный элемент франций, период полураспада которого составляет чуть больше 22 минут, образуется при распаде актиния, и до сих пор неизвестно, как он выглядит.

Даже ученые о нем знают очень мало, и знания эти накапливаются по крупицам.

Научные лаборатории проводят исследования этого элемента на образцах массой в одну десятимиллионную долю грамма, которая каждые двадцать две с небольшим минуты уменьшается вдвое.

То есть при температурах, немногим отличающихся от комнатной, жидкими металлами можно назвать четыре элемента периодической таблицы Менделеева, включая ртуть.

Строение металлов

В металлах атомы располагаются в строгом геометрическом порядке и образуют кристаллическую решетку. Их виды в разных металлах и сплавах различаются в зависимости от количества и расположения атомов.

• В расплавленных металлах атомы находятся в хаотическом движении, и связи между ними нарушаются.
• Обычный расплавленный жидкий металл из мартена – это всего лишь материал с кристаллической решеткой и обычными свойствами твердого тела при нормальной температуре.

При охлаждении жидкого металла начинается процесс кристаллизации, скорость которого возрастает с понижением температуры. Связи между атомами восстанавливаются, и образовывается кристаллическая решетка.

Нарушение целостности металла, например, образование ржавчины или трещин, происходит именно на границах между кристаллами.

То есть если не существует четких границ между кристаллами, меняются не только механические, но и электрические, и магнитные свойства металла.

Свойства жидких металлов

Ученые утверждают, что аморфные материалы могут быть прочнее кристаллических аналогов в десять раз, а их электрическое сопротивление выше в пять раз. Причем при нормальной температуре они способны сохранять свойства более ста лет, но высокую температуру переносят плохо.

Если жидкий металл из мартена охладить настолько быстро, что связи между атомами и кристаллами не успеют восстановиться, то получится вещество в аморфном состоянии, соединяющее в себе свойства металлов и жидкостей.

Оно обладает поверхностным натяжением и вязкостью жидкостей, а сжимается и отражает электромагнитные волны, как всякий металл. Структура жидких металлов – это хаотическое скопление атомов без жестких связей между ними.

Поскольку отсутствует кристаллическая структура, такие вещества обладают замечательными магнитными свойствами, высокими показателями прочности на растяжение и ударной вязкости.

Жидкий металл прочнее титана более чем в два раза, не ржавеет и может отливаться в форму, даже самую сложную, как любой пластический материал. При этом после отливки дополнительно обрабатывать изделие не нужно – у него четкие очертания и идеально гладкая поверхность.

Жидкие металлы на основе галлия

Сплавы на основе легкоплавких металлов, а их в мировой промышленности используется около тридцати, имеют температуру плавления меньше 70° С. Большинство из них химически активны и токсичны.

Сплавы на основе галлия, в которые в разных пропорциях входят индий, олово и цинк, плавятся при низких температурах, меньше 40° С, и не являются ни токсичными, ни химически активными.

В промышленности их используется всего восемь, но вариаций может быть значительно больше, в зависимости от процентного соотношения компонентов.

Эти сплавы жидкими металлами и являются. Они не токсичны, но специалисты рекомендуют при работе с ними соблюдать меры предосторожности и работать в резиновых или хлопчатобумажных перчатках.

Способы получения жидких металлов

Если не говорить о жидких металлах на основе галлия, то в первую очередь ученые искали возможность быстрого охлаждения расплавленного металла. Существует способ распыления металла с помощью устройства, напоминающего пульверизатор, тонким слоем на очень холодную поверхность.

Метод носит название «ионно-плазменное распыление». Используется и нанесение жидкого металла на вращающийся диск. В любом случае такими способами можно было получить узкие полоски металла, которые нельзя соединить между собой горячими методами, обычными для кристаллических веществ.

Следующим этапом было создание сплавов из металлов, которые друг с другом сочетаются плохо. Специалисты Калифорнийского технологического института разработали сплав с названием Liquidmetal. В состав жидкого металла входят титан, медь, никель, цирконий и бериллий. При остывании такого сплава кристаллизация происходит очень медленно, так как атомы металлов очень отличаются по размерам.

Применение жидких металлов

Жидкие металлы на основе галлия используются в системах пожарной сигнализации, в качестве теплоносителя в системах охлаждения с высокими рабочими температурами.

В период, когда сплав «жидкий металл» получали в виде узких ленточек, применение ему нашли при создании кодовой маркировки, предназначенной для борьбы с хищениями и использования в покрытии буровых труб для увеличения срока их службы.

Когда был создан Liquidmetal, его начали применять при изготовлении клюшек для гольфа. Расчеты показали, что такая клюшка передает мячу более мощное энергетическое усилие, чем обычная.

1. Специалисты Liquidmetal Technologies участвуют в разработках ведущих производителей лыж и бейсбольных бит.
2. В оборонной промышленности Liquidmetal может заменить обедненный уран в снарядах, пробивающих броню.
3. В России из жидкого металла, полученного из расплава, охлажденного на вращающемся диске, стали изготавливать элементы и микропровода для особо чувствительной и точной аппаратуры, в медицинском приборостроении и электронной технике, фильтры для защиты ценных бумаг и банкнот от подделок и многое другое.

Жидкие металлы в качестве термоинтерфейса

• В измерительной технике, радиоэлектронных устройствах и бытовых компьютерах широко используется термоинтерфейс.
• Термоинтерфейс – это термопроводящее вещество, которое наносится тонким слоем между поверхностью, которую необходимо охлаждать, и устройством, предназначенным для отвода тепла.
• К нему предъявляются высокие требования:
• — постоянная консистенция, которая не изменяется при работе или хранении;
• — стабильность характеристик в рабочем диапазоне температур;
• — нетоксичность и негорючесть;
• — легкость нанесения и удаления с поверхности;
• — минимальное тепловое сопротивление.

Наиболее распространенным видом термоинтерфейса является теплопроводная паста, или, проще говоря, термопаста. Жидкий металл с высоким коэффициентом теплопроводности и другими свойствами как нельзя лучше соответствует предъявляемым к термопастам требованиям.

В компьютерах на печатных платах процессоров выделяется большое количество тепла. Поверх процессора устанавливается охлаждающий механизм (радиатор). Чтобы повысить эффективность отвода тепла и убрать воздушную прослойку между кулером и процессором, используются термопасты.

Продукты компании Coollaboratory

1. Компанией Coollaboratory был разработан продукт, полностью состоящий из жидких металлов, без твердых частиц и неметаллических добавок.
2. Жидкий металл Coollaboratory Liquid Pro — теплопроводящий материал с высокой теплопроводностью, внешне напоминающий ртуть, но нетоксичный, характеризуется высокой способностью к смачиванию многих материалов.
3. Coollaboratory Liquid Ultra в виде пасты легко наносится кисточкой на теплораспределительную крышку процессора.

Coollaboratory Liquid Metal Pad представляет собой теплопроводящую прокладку, которая легко наносится на поверхность и плавится только при нагреве процессора.

Все эти жидкие металлы не могут работать при контакте с алюминием — радиатор должен быть выполнен из меди с никелевым покрытием. Производитель заявляет об уникальных показателях теплопроводности Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на этот жидкий металл отзывы неоднозначны, и многие пользователи выказывают сомнения в заявленных характеристиках.

Применение жидкого металла производителями смартфонов

В настоящее время в американской версии iPhone комплектуется инструментом для извлечения SIM-карты, говоря иначе, i-Скрепкой из жидкого металла.

Но такое уникальное вещество с возможностью принимать при незначительной массе любые формы, антикоррозионными свойствами и особенно высокой прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом восстановления можно использовать и для изготовления корпусов смартфонов, флешек и часов. В планах Apple – изготовление клавиши Home и сенсорной поверхности из жидкого металла.

Компания HTC тоже планирует использовать LiquidMetal при изготовлении корпусов смартфонов. Но эти данные являются неофициальными.

Зато компания Turing Robotics Industries (TRI) при создании уникального Android-смартфона Turing Phone использует для каркаса корпуса и рамки-окантовки дисплея сверхпрочный сплав из циркония, меди, алюминия, никеля и серебра, который в описаниях компонентов смартфона носит название liquidmorphium. Этот сплав значительно прочнее титана и эффективно выдерживает удары и особым образом отражает свет.

Трехмерная печать с применением жидкого металла

Специалисты Университета Северной Каролины подобрали такой сплав галлия и индия, который держит форму после печати. Тонкая пленка оксида удерживает напечатанную структуру из шариков и нитей, которая внутри остается жидкой. Используя технологию трехмерной печати, можно изготавливать эластичные гибкие провода, выдерживающие многократные растяжения и сжатия.

Ранее австралийские ученые для создания металлических объектов, которые должны восстанавливать форму, использовали сплав галлистан на основе галлия, олова и индия с температурой плавления 19 °С и специальное порошковое покрытие.

Ученые считают, что такие изделия способны проявить себя в электронике.

Краски «жидкий металл»

Краски с таким названием, строго говоря, жидким металлом не являются.

Жидкий металл — краска из металлических пигментов, тонкоизмельченных порошков цветных металлов и сплавов алюминия, меди, цинка, бронзы.

К металлическим пигментам относятся золотистая бронза, медный порошок, алюминиевая и цинковая пудра.

Такие краски отличаются хорошим сцеплением с любыми поверхностями: пластиками, металлами, тканями, стеклом, гипсом, керамикой, деревом. Равномерно распыляются соплом от 0,2 мм и закрепляются лаками на водной основе.

Краска «жидкий металл» марки Maimeri («Маймери») на основе смолы разбавляется спиртом и служит для декорирования тонких поверхностей – бумаги, картона, дерева. Характеризуется дополнительной устойчивостью к износу и окислению.

Жидкий металл Viva («Вива») разбавляется водой и предназначен для росписи фарфора, фаянса, керамики, гончарных изделий.

Специальная краска была разработана специалистами Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основе тончайших алюминиевых пигментов. Такое покрытие хорошо отражает свет и интенсивно блестит.

В заключение можно сделать вывод, что понятие «жидкий металл из мартена» не является всеобъемлющим. Что еще можно отнести к данной категории материалов? «Жидкий металл» — название такое носят также искусственные сплавы и вещества в аморфном состоянии, обладающие свойствами металлов, в том числе цветом и блеском.

Строение и свойства жидких металлов | 09.05.2012

     Агрегатные состояния жидких металлов      Существует четыре основных состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное и плазма, из которых к литейным процессам следует отнести два первых.

       В обычных условиях структура металла представляет собой кристаллическую решетку. Кристалл рассматривают как правильную совокупность атомов, которые не обязательно имеют одинаковую природу.

Всякий атом  занимает свое место, определяемое характером его геометрической взаимосвязи с кристаллической решеткой и характеризующее собой среднее положение центра этого атома (рисунок 1).

     Рисунок 1 – Кристаллическая решетка железа      В действительности атом совершает тепловые колебания в пространстве между соседними атомами. При  нагревании в определенный момент тепловые колебания становятся настолько сильными, что дальний порядок между атомами нарушается и металл переходит в жидкое состояние.

     Жидкие металлы, как и другие жидкости, незначительно перегретые над точкой начала кристаллизации, гораздо ближе по структуре и свойствам к твердому телу, нежели к газам. На это указывает ряд факторов:

     Строение жидких металлов      Современные теории жидкостей в какой-то мере объединяют две ранее существовавшие крайние точки зрения на природу жидкостей и учитывают те двойственные черты их поведения, которые вытекают из промежуточного положения жидкого агрегатного состояния вещества. Металлофизики, например, Б.Чалмерс, считают, что жидкость представляет собой совокупность атомов и молекул, колеблющихся со средней энергией

3 kТ/ 2 (К постоянная Больцмана = 1,38 . 10 – 23 Дж/ град) и со средней частотой ν . Всякий атом входит в то или иное кристаллоподобное  образование (кластер), которые ориентированы беспорядочно. Часть пространства между ними остается незаполненной атомами.

Кластеры (рисунок 2) очень быстро возникают и тут же распадаются из-за перехода атомов от одного из них к другому через вакансии — промежуточные пустоты. Вероятность появления и число микрозародышей твердой фазы определяются законами статистической физики.

В любой данный момент в жидкости существует значительный ближний порядок, когда всякий атом связан с каким-то другим и даже со многими другими соседями точно так же, как это бывает в кристалле.

     Рисунок 2 – Кластер      В соответствии с теорией флуктуации в жидкости спонтанно возникают локальные отклонения от ее средней концентрации, энергии и плотности, число и вероятность которых диктуются законами статистической механики.      Для объяснения определенных свойств жидких расплавов используется теория Стюарта и Бенца, согласно которой в жидкостях непрерывно разрушаются и создаются группировки элементарных частиц, называемых роями или сиботаксисами. Эти группировки являются нестойкими образованиями и не имеют четких границ раздела.      Согласно кластерной модели Архарова и Новохатского расплав представляет собой сочетание кластеров и разупорядоченной зоны. Кластеры характеризуются  определенной упорядоченностью строения центральной части и нестабильностью периферийных частей. При повышении температуры кластеры распадаются на более мелкие, при охлаждении металла укрупняются.

     Основной смысл общепринятой в настоящее время теории Я.И. Френкеля состоит в том, что переход из твердого в жидкое состояние обусловлен скачкообразным увеличением количества вакансий.

Это вызывает большую подвижность частиц и жидкости в целом, а также объясняет скачек растворимости многих веществ, при расплавлении растворителя. Необходимый избыток энергии обеспечивается флуктуациями. Вакансии (дырки) имеют размер порядка 10–10 м.

  По Томпсону работа  образования сферической полости в жидкости радиусом r  равна:

     Работа   ΔZ соизмерима с теплотой испарения. Важен тот факт, что для превращения жидкости в кристаллическое состояние необходимо при температуре превращения отвести тепло, соответствующее скрытой теплоте плавления. При этом атомы переводятся в позиции с меньшей потенциальной энергией, чем в жидкости. Однако в обоих случаях каждый атом имеет минимальную свободную энергию, но в жидкости эти минимумы выше, чем в кристалле.      В большинстве случаев плотность расплава меньше, чем у кристалла. Кристаллы же германия, кремния, галлия и висмута менее плотные своих расплавов и упругие свойства обеспечиваются исключительно упорядочением атомов.      Есть и другие теории жидкого состояния, но ни одна из них не позволяет по параметрам элементарных частиц жидкости высчитать ее микроскопические свойства. Не дают они объяснения многим явлениям, которые наблюдаются  в жидкости, например, возможности значительного переохлаждения.

     Свойства жидких металлов

     Сходство жидкого и кристаллического состояния заключается, главным образом, в характере межчастичного взаимодействия и в термодинамических  свойствах, но существует принципиальное различие в строении жидких и твердых тел. Известная хаотичность в расположении частиц в жидкости и большая их подвижность, роднящие жидкость с газами, сочетаются с сильным межчастичным взаимодействием, как и в твердом теле. Этим  сочетанием обусловлен комплекс  свойств, характерный только для жидкого состояния вещества.

     Плотность

     По плотности металла судят о разрыхленности его структуры. Плотность — одна из основных физических характеристик расплава, непосредственно связанная с поверхностным натяжением, теплоемкостью, динамической вязкостью, теплотами растворения и др.

Жидкая фаза имеет лишь немного меньшую плотность, чем твердое вещество, но она на несколько порядков выше плотности газа. Самый легкий металл литий имеет плотность 0,53 г/см3, а самый тяжелый иридий плотностью 22,4  г/см3. Плотность железа 7,87 г/см 3 .

У большинства металлов при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления плотность уменьшается на 3-5 %,  у железа она снижается до 7,35 г/см3.  В процессе плавления плотность большинства металлов снижается на несколько %, у железа – до 7,02 г/см 3.

  А плотность галлия, висмута, сурьмы, германия и кремния при плавлении увеличивается, как у воды, для которой это увеличение составляет около 11 %.

     При нагреве жидких металлов, как и в твердом состоянии, плотность уменьшается. С достаточной для практики точностью используется соотношение:       Подбором состава сплавов обеспечивают  заданную его плотность и коэффициент линейного расширения. Это важно, например, для армированных (выполненных из разнородных материалов) изделий, служащих при изменяющихся в широких пределах температурах Практическое значение изменения плотности металла до начала и в процессе кристаллизации состоит в том, что оно предопределяет объемную усадку (или рост), с которой связаны усадочные раковины, рыхлость, напряжения в наружных и внутренних участках слитков, заготовок и отливок (рисунок 3).      Рисунок 3 — Усадочная раковина в слитке

     Температура плавления

     Температура плавления –  это единственная температура,  при которой кристаллическая твердая фаза сосуществует в равновесии с жидкостью. Для чистого элемента  или чистого соединения эта величина постоянная и лишь незначительно зависит от давления.

     Обычно разливаемый металл перегревается выше температуры плавления на 100 и более градусов. Исходя из этой температуры, выбирается материал литейной формы и футеровки разливочных ковшей.

Из часто используемых металлов ртуть  имеет самую низкую температуру плавления –  минус 39 0С, а самая высокая она у вольфрама – 3410 0С. Чистое железо плавится при 1539 0 С, медь — при 10830 С, алюминий – при 6600 С.

Титановые сплавы 1580-17200С.

Сталь                                1420-15200С

Чугун                                1150-12500С Бронзы                              1000-11500С Латуни                               900- 9500С Алюминиевые сплавы         580- 6300С Магниевые сплавы              600- 6500С Цинковые сплавы               390- 4200С      Так как фазовые превращения сопровождаются тепловыми эффектами, объемными изменениям и фазовыми напряжениями, то их учитывают, задавая оптимальные режимы охлаждения слитков, заготовок и отливок, а также при рассмотрении процессов  структурообразования и ликвации.

     Вязкость

     Вязкость металлического расплава является наиболее характерным структурно-чувствительным свойством и определяется межчастичным взаимодействием. Поэтому этот показатель позволяет оценить строение расплава, природу и силы взаимодействия между компонентами в сплавах, а также связь между твердым и жидким состоянием.      Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости или внутреннего трения ?, называемый динамической вязкостью. Он численно равен силе трения между двумя слоями с площадью, равной единице при градиенте скорости, равной единице.      У металлов динамическая вязкость повышается с увеличением температуры их плавления. Для всех металлов она уменьшается с повышением температуры нагрева. У сплавов эвтектического состава обычно пониженные значения вязкости. Изменение вязкости от состава сплавов меняется неоднозначно, сложным образом и зависит от сил межчастичного взаимодействия. Загрязнение расплавов взвешенными частицами шлака или оксидов сопровождается заметным возрастанием вязкости.      Сравнительные данные вязкости (Па .  с):

Вода (25 0 С) – 0,00089;

Сталь (1600 0 С) – 0,0050 – 0,0085; Железо (1600 0 С) – 0,0045 – 0,0050.

     Поверхностное натяжение

     Поверхностное натяжение   численно равно количеству свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела между рассматриваемым веществом и вакуумом. Поверхностное натяжение стали обуславливает смачиваемость и адгезию, влияет на характер струи и степень вторичного окисления металла во  время выпуска из плавильного агрегата и разливки. В период кристаллизации  поверхностные явления влияют на поверхностные и объемные концентрации компонентов, существенно изменяют структурообразование, кинетику капиллярного массопереноса, зарождения, коагуляции и всплывания неметаллических включений. Межфазное натяжение на границе металл-шлак в значительной степени определяет ассимиляцию неметаллических включений, образующихся при раскислении, обработке металла синтетическими шлаками и разливке под защитными средами.

     С увеличением температуры плавления металла поверхностное натяжение, как правило, увеличивается. Так, для ртути, железа и вольфрама оно соответственно равно, Н/ м: 0,45;  1,8  и 2,5.   Перегрев  жидкого металла на 100 0 С понижает поверхностное натяжение примерно на 2-4 % .

     Поверхностно активные добавки, которые в металле – основе растворяются в очень малых количествах и резко отличаются от основы по своим свойствам, существенно снижают поверхностное натяжение расплавов. Так, 0,1 % кислорода снижает  поверхностное натяжение железа до 1,1 Н / м, 0,1 % калия снижает поверхностное натяжение ртути в 2 раза.

     Литейные свойства

     Свойства, непосредственно влияющие на получение слитков и отливок требуемого качества, называются литейными. Они зависят от комплекса физико-химических свойств,  проявляющихся в образующихся фазах при охлаждении расплава, но полностью ими не определяются.

К литейным свойствам относят жидкотекучесть и заполняемость литейных форм, усадку и связанные с ней процессы образования различных дефектов, склонность к образованию дефектов на базе неметаллических и газовых включений, активность взаимодействия с окружающей средой и контактирующими материалами,  первичную и вторичную кристаллизацию, литейные напряжения и трещиноустойчивость, химическую и структурную неоднородность. Лучшим сочетанием литейных свойств обладают сплавы с большим количеством эвтектики. Литейные свойства чугуна значительно выше литейных свойств стали.

Жидкие металлы

При обычных температурах большинство металлов находятся в твердом состоянии. Чтобы сделать их жидкими, необходимо расплавить. Единственным природным исключением является ртуть. Остальные жидкие металлы — это искусственные сплавы.

Свойства жидких металлов

С жидкостями такие металлы роднит вязкость, диффузия и поверхностное натяжение. Однако сжимаемость у них значительно меньше. К тому же, как любой металл, они отражают электромагнитные волны. Плюс к этому, жидкие металлы унаследовали от представителей своей группы высокую тепло — и электропроводность и прочие «металлические» особенности.  

Сочетание хорошей теплопроводности и значительной теплоемкости некоторых жидких металлов нашли для них применение в качестве теплоносителей. К примеру, натрий и калий используются в ядерных реакторах для охлаждения.

Для создания сплавов (с температурой плавления ниже 400 С) используются натрий, калий, олово, цинк, ртуть, галлий и прочие легкоплавкие металлы в различных пропорциях. Основным минусом таких соединений является высокая химическая активность или даже ядовитость, что серьезно сужает сферу их применения.

Но эта сложность была преодолена, и разработаны нетоксичные сплавы, в состав которых входит галлий:

Применение жидких металлов

• Термоинтерфейс, для простоты называемый «термопастой» — это термопроводящее вещество, располагающееся между поверхностью, нуждающейся в охлаждении и устройством, отводящим тепло.
• Используются термопасты в радиоэлектронных устройствах, измерительной технике, бытовых компьютерах.
• Требования к термопастам предъявляются серьезные. Они должны:

• иметь минимальное тепловое сопротивление;
• не изменять консистенции при работе или хранении;
• сохранять стабильность в рабочем температурном диапазоне;
• иметь устойчивость к коррозии и окислению;
• быть негорючими и нетоксичными;
• легко наноситься и, при необходимости, смываться;
• в отдельных случаях необходимы еще и хорошие электроизоляционные свойства.

Высокий коэффициент теплопроводности жидких металлов позволяет с успехом их использовать в качестве термопаст.

Жидкий металл вместо термопасты

В компьютерах термопаста применяется для регулирования тепловыделения чипов на печатных платах. Чем мощнее процессор, тем большее тепло он выделяет при работе.

Чтобы избежать перегрева и выхода из строя процессора, поверх него устанавливается кулер — охлаждающий механизм. Между этими устройствами неизбежно возникает воздушная прослойка, которая снижает эффективность отвода тепла. Ликвидировать досадное неудобство как раз и призваны термопасты.

Одним из наиболее прогрессивных теплопроводящих материалов, полностью состоящий из жидких металлов, является продукт, созданный компанией  «Coollaboratory» — Coollaboratory Liquid Pro.

Внешне он напоминает ртуть, но при этом абсолютно нетоксичен. В нем полностью отсутствуют твердые частицы и неметаллические добавки (оксиды, силикон и прочие).

У этого жидкого металла есть только одно неудобство: он разработан специально для высококачественных кулеров из меди и серебра. Алюминий, используемый в дешевых кулерах,  не обладает достаточной устойчивостью при взаимодействии с Coollaboratory Liquid Pro.

Зато к несомненным плюсам нового жидкометаллического термоинтерфейса  относится впечатляющая теплопроводность, в десятки раз превосходящая классические аналоги.

Жидкий металл

Жидкий металл — это металл или металлический сплав, который является жидким при комнатной температуре или близкой к ней . [1]

Некоторые элементарные металлы являются жидкими при комнатной температуре или близкой к ней. Наиболее известна ртуть (Hg), которая расплавляется при температуре выше -38,8 ° C (234,3 K, -37,9 ° F).

Другие включают цезий (Cs), температура плавления которого составляет 28,5 ° C (83,3 ° F), рубидий (Rb) (39 ° C [102 ° F]), франций (Fr) (по оценкам, 8,0 ° C [46 ° F]). F]) и галлий (Ga) (30 ° C [86 ° F]).

Сплавы могут быть жидкими, если они образуют эвтектику , что означает, что температура плавления сплава ниже, чем у любого из составляющих его металлов. Стандартным металлом для создания жидких сплавов раньше была ртуть , но сплавы на основе галлия , которые имеют более низкое давление пара при комнатной температуре и токсичность, используются в качестве замены в различных областях. [2]

Системы Alloy , которые являются жидкими при комнатной температуре имеют тепловую проводимость намного превосходят обычные неметаллические жидкости, [3] позволяет жидкий металл эффективна энергии передачи от источника тепла к жидкости.

Они также обладают более высокой электропроводностью, что позволяет перекачивать жидкость более эффективными электромагнитными насосами. [4] Это приводит к использованию этих материалов для удельной теплопроводности и / или рассеивания тепла.

Еще одним преимуществом систем жидких сплавов является присущая им высокая плотность.

Вязкость жидких металлов может сильно варьироваться в зависимости от атомного состава жидкости, особенно в случае сплавов.

В частности, температурная зависимость вязкости жидких металлов может варьироваться от стандартной зависимости закона Аррениуса до гораздо более крутой (не аррениусовской) зависимости, такой как та, которая дается эмпирически с помощью уравнения Фогеля-Фулчера-Таммана .

Также была разработана физическая модель вязкости жидких металлов, которая отражает эту огромную изменчивость с точки зрения лежащих в основе межатомных взаимодействий. [5]

Электрическое сопротивление жидкого металла можно оценить с помощью формулы Зимана, которая дает сопротивление с точки зрения статического структурного фактора жидкости, который может быть определен измерениями рассеяния нейтронов или рентгеновских лучей.

После удаления оксидов с поверхности подложки большинство жидких металлов смачивают большинство металлических поверхностей.

При комнатной температуре жидкие металлы часто вступают в реакцию и растворяются в металлических поверхностях, хотя некоторые твердые металлы устойчивы к воздействию обычных жидких металлов.

[6] Например, галлий вызывает коррозию всех металлов, кроме вольфрама и тантала , которые имеют более высокую коррозионную стойкость, чем ниобий , титан и молибден . [7]

Подобно индию , галлий и галлийсодержащие сплавы обладают способностью смачивать многие неметаллические поверхности, такие как стекло и кварц.. Осторожно втирая сплав в поверхность, можно вызвать смачивание.

Однако это наблюдение «смачивания путем втирания в поверхность стекла» создало широко распространенное заблуждение, что жидкие металлы на основе галлия смачивают стеклянные поверхности, как если бы жидкость вырывалась из оксидной пленки и смачивала поверхность. На самом деле все наоборот: оксид заставляет жидкость смачивать стекло.

Более подробно: когда жидкость втирается в поверхность стекла и растекается по ней, она окисляется и покрывает стекло тонким слоем оксидных (твердых) остатков, на которые смачивается жидкий металл. Другими словами, мы видим жидкий металл на основе галлия, смачивающий его твердый оксид, а не стекло.

По всей видимости, это заблуждение было вызвано сверхбыстрым окислением жидкого галлия даже в следовых количествах кислорода, т. Е.

никто не наблюдал истинного поведения жидкого галлия на стекле, покаКалифорнийский университет в Лос-Анджелесе развенчал вышеупомянутый миф, протестировав галинстан , сплав на основе галлия, который является жидким при комнатной температуре в бескислородной среде. [8] Примечание: эти сплавы образуют тонкую на вид тусклой оксидную пленку, которая легко диспергируется при легком перемешивании . Поверхности, не содержащие оксидов, яркие и блестящие.

Из-за своих превосходных характеристик и методов производства жидкие металлы часто используются в носимых устройствах, медицинских устройствах, взаимосвязанных устройствах и т. Д.

Типичные применения жидких металлов включают термостаты , переключатели , барометры , системы теплопередачи , а также конструкции для термического охлаждения и нагрева. [9] Их можно использовать для передачи тепла и / или электричества между неметаллическими и металлическими поверхностями.

Тепловые интерфейсы

Жидкий металл иногда используется в качестве материала для термоинтерфейса между охладителями и процессорами из-за его высокой теплопроводности. В игровой приставке PlayStation 5 используется жидкий металл для охлаждения высоких температур внутри консоли. [10]

Устройства для 3D-печати

Жидкий металл можно использовать для носимых устройств. Новые приложения Интернета вещей требуют надежного и эффективного беспроводного подключения. Поэтому необходимо сделать небольшую гибкую антенну.

1. ^ Нойман, Тейлор В .; Дики, Майкл Д. (2020). «Прямая запись жидкого металла и 3D-печать: обзор» . Передовые технологии материалов . 5 (9): 2000070. DOI : 10.1002 / admt.202000070 . ISSN  2365-709X .
2. ^ Материалы термоинтерфейса
3. ^ Куньцюань, Ма; Цзин, Лю (октябрь 2007 г.). «Жидкометаллическое управление компьютерными микросхемами». Границы энергетики и энергетики Китая . 1 (4): 384–402. DOI : 10.1007 / s11708-007-0057-3 . ISSN 1673-7504 .
    
4. ^ Майнер, А .; Гошал, У. (19 июля 2004 г.). «Охлаждение сверхмощных микроустройств жидкометаллическими теплоносителями». Письма по прикладной физике . 85 (3): 506–508. Bibcode : 2004ApPhL..85..506M . DOI : 10.1063 / 1.1772862 . ISSN 0003-6951 . 
5. ^ Krausser, J .; Samwer, K .; Закконе, А. (2015). «Мягкость межатомного отталкивания напрямую контролирует хрупкость переохлажденных металлических расплавов» . Труды Национальной академии наук США . 112 (45): 13762. DOI : 10.1073 / pnas.1503741112 .
6. ^ Уэйд, К .; Банистер, AJ (1975). Химия алюминия, галлия, индия и таллия . Пергамские тексты по неорганической химии. 12 . ASIN B0007AXLOA . 
7. ^ Лион, Ричард Н., изд. (1952). Справочник по жидким металлам (2-е изд.). ВашингтонCS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
8. ^ Лю, Т .; С., Просенджит; Ким, К.-Дж. (Апрель 2012 г.). «Определение характеристик нетоксичного жидкого металлического сплава Галинстан для применения в микроустройствах». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (2): 443–450. CiteSeerX 10.1.1.703.4444 . DOI : 10.1109 / JMEMS.2011.2174421 .
    
9. ^ Материалы термического интерфейса жидкого металла
10. ↑ Грабб, Джефф (7 октября 2020 г.). «PlayStation 5 использует жидкий металл — вот почему это круто» . VentureBeat . Проверено 19 декабря 2020 года .