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液体金属,让我们一起看“苹果时间”

    虽然苹果公司已不如从前光芒四射,但它的创新举动却仍然牵动着业界神经。近日据国外媒体报道,苹果正在研制的可穿戴设备iWatch,可能会使用一种由锆钛、铜、镍等组成的液态金属材料(又称非晶态合金或金属玻璃),该材料的强度是钛的两倍。
        事实上,在2010年时,苹果就与Liquidmetal(液态金属)技术公司签署了协议,但由于量产存在技术难度,一直没有大量使用这种材料。而苹果最新获得的一项“大块非晶合金板材成型工艺”专利则显示,苹果已经解决了量产的难题。这也意味着,液态金属这一新材料的应用将焕发新的生机。
        神奇的材料
        提到液态金属,很多人都会联想到电影《终结者2》中的机器人T1000。它可以在固态和液态之间随意转换,当它受伤或中弹之后,会像液体那样自动恢复,同时,虽然它并未携带武器,却可以将身体局部瞬间变形为尖锐的利器。
        现实中的液态金属显然不会有如此“夸张”的功能。在常温条件下,液态金属的形态是实实在在的固态,而且硬度、强度很高,只有在加热到一定温度之后(远低于其熔融温度),它才会成为可以随意进行塑性变形的类液态。
        之所以叫液态金属,是因为这种材料的原子排列状态与液体类似,都是无序的。从科学角度,应该称之为非晶态合金。而由于玻璃属于原子排列状态无序的非晶态固体,所以这种材料也被称作金属玻璃。
        由于其特殊的结构,液态金属有着其他金属所不具备的诸多特性。7月31日,在中科院物理所极端条件物理重点实验室研究员、全国非晶材料学术委员会副理事长汪卫华的办公室内,记者近距离接触了这一“神奇”的材料。
        汪卫华拿着一个液态金属制成的优盘外壳告诉记者,由于液态金属材料的强度非常高,这个优盘外壳甚至可以经得住汽车的碾压。
        接着,他又拿出一个表面十分光滑的液态金属样品说,液态金属的另一个重要特性是一次成型。其他金属制备出来之后,表面都比较粗糙,需要经过打磨等表面处理工艺才能变得光滑,而液态金属制备出来之后就是这个形态,同时还具备耐磨、防划和抗腐蚀等优点。
        记者发现,汪卫华所展示的液态金属样品有深红、浅蓝等不同颜色。汪卫华解释说,这是因为科学家可以通过改变液态金属表面的一些结构,来改变它的颜色。“由于不是用漆刷上去的,所以磨不掉,颜色也更加自然。”
 
        从“薄带”到“块体”
        虽然苹果即将在iWatch上使用液态金属是最近的事情,但液态金属的研发和应用早在上世纪60年代就已经开始了。
        从其发展历程来看,主要可以分为两代。采访中,汪卫华向记者展示了一卷亮闪闪的如锡箔纸般薄的带子。“这就是液态金属材料的第一代产品,可以称之为‘薄带’。”这种软磁材料目前已经有比较广泛的应用,变压器的铁芯、IC卡的卡芯都可以找到它的影子。
        据汪卫华介绍,这种材料的制备难度较高,需要每秒钟冷却100万度,才能将金属变为非晶态。具体的制备方法是,将一根铜棍高速旋转,然后将制备液态金属的材料喷上去。“必须喷得很薄才行,这样温度才能降得比较快。”
        据了解,目前能制备这种高品质薄带式液态金属材料的企业并不是很多,主要为日本的日立金属以及国内的安泰科技。因此,这一材料目前是金属领域少有的高利润产品。
        进入上世纪90年代后,科学家找到了一些新的金属成分,可以制备新型的大块液态金属,也被称为“块体非晶合金”。其制备方法是根据“配方”,将不同比例的金属成分熔化成液体,然后再进行冷却,从而制备出块状的液态金属。
        汪卫华向记者展示的优盘外壳等样品以及苹果iWatch将采用的材料,都属于液态金属的第二代产品。和“薄带”的液态金属不同的是,“块体”的液态金属可以塑造成不同的形状,所以也有着不同的应用领域。
        不过,从目前发展情况来看,第二代液态金属的应用仍处于起步阶段。汪卫华告诉记者,早在上世纪90年代,液态金属科技公司就曾想和三星公司合作生产手机外壳,但最终因为工艺和成本问题而未能实现大规模应用。
 
        新契机
        因此,最近传出的苹果在液态金属大规模制备方面取得突破,并将在iWatch上应用的消息,对于第二代液态金属的应用而言无疑是重大利好。
        赛迪顾问原材料产业研究中心主任冀志宏在接受《中国科学报》记者采访时表示,iWatch是一款正在研发的新产品,可能对材料的硬度要求比较高,这种需求与液态金属材料的特性有了很好的结合点,虽然成本可能会高一些,但对于苹果而言也是值得的。
        汪卫华也表示,液态金属现在还属于比较贵的材料,可谓金属材料中的新贵,而且有很多特性,苹果产品的特点则是时尚和高科技,因此应用液态金属也比较符合苹果的理念。
        不过让人深思的是,液态金属的研究在国内的起步并不晚,目前也有三十几家研究机构从事该材料的研发,但却始终未能将该材料转化成应用。
        此前也有手机公司向汪卫华了解液态金属的相关情况,但后来也不了了之。“如果国外企业开始做了,国内企业会去跟风,但如果没有先例的话,国内的企业一般不会去贸然尝试。”汪卫华说。
        对于这一现状,冀志宏认为,这说明我们国家在工程化、产业化方面的投入仍然不足。他向记者透露,目前工信部原材料司正在进行调研,希望出台相关政策,在一些关键的材料领域,由国家拿出一部分资金去鼓励企业应用这种材料。“把材料真正用起来,后面的产业化环节才能真正做起来。”冀志宏说。
        此外,冀志宏还指出,应该加强在材料领域的装备制造能力。“我们很多生产线都是引进的,所以只能使用对方配套的产品和原材料。如果生产线的国产化程度更高一些,我们一些关键原材料的应用也就有了更大的空间。”

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