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液態(tài)金屬
不定型金屬
液態(tài)金屬成形過(guò)程及控制，液態(tài)金屬充型過(guò)程的水力學(xué)特性及流動(dòng)情況充型過(guò)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。正確地設計澆注系統使液態(tài)金屬平穩而又合理地充滿(mǎn)型腔，對保證鑄件質(zhì)量起著(zhù)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(dòng)時(shí)呈現出如下水力學(xué)特性：
1.粘性流體流動(dòng)：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(dòng)過(guò)程中又隨液態(tài)金屬溫度的降低而不斷增大，當液態(tài)金屬中出現晶體時(shí)，液體的粘度急劇增加，其流速和流態(tài)也會(huì )發(fā)生急劇變化。
2.不穩定流動(dòng)：在充型過(guò)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定狀態(tài)。隨著(zhù)液流溫度下降，粘度增加，流動(dòng)阻力也隨之增加；加之充型過(guò)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(guò)程中的不穩定流動(dòng)。
3.多孔管中流動(dòng)：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統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(dòng)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(dòng)：生產(chǎn)實(shí)踐中的測試和計算證明，液態(tài)金屬在澆注系統中流動(dòng)時(shí)，其雷諾數Re大于臨界雷諾數Re臨，屬于紊流流動(dòng)。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(dòng)時(shí)，其雷諾數為25000，遠大于2300的臨界雷諾數。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(dòng)。輕合金優(yōu)質(zhì)鑄件澆注系統的研究表明，當Re<20000時(shí)，液流表面的氧化膜不會(huì )破碎，如果將雷諾數控制在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(guò)水力模擬和鋁合金鑄件的實(shí)澆試驗證明：允許的最大雷諾數，在直澆道內應不超過(guò)10000，橫澆道內不超過(guò)7000，內澆道內不超過(guò)1100，型腔內不超過(guò)280。綜上分析，影響金屬液流動(dòng)的平穩性的主要因素是金屬液的流動(dòng)速度和澆注系統的形狀及截面尺寸。
研究
和簡(jiǎn)單的非金屬液體有許多共同點(diǎn)，20世紀60年代以來(lái)對它研究較多。但人們對它的結構細節仍不清楚。熔融金屬的X射線(xiàn)或中子散射可得其徑向分布函數g(r)，它在平均意義上描述熔體結構。當r<σ(σ為原子有效直徑，圖1)，g(r)=0，說(shuō)明原子似硬球，不能互相貫穿，r大于2～3nm時(shí)，原子完全無(wú)規排列,g(r)→1。原子周?chē)罱彽脑訑到?/span>配位數Z，其中ρ0是熔體粒子數密度。絕大多數金屬熔化時(shí)體積約增大5%，原子序數Z減小，金屬鍵不變。少數“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。各種金屬熔化后結構趨于相近，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(gè)正離子間，除了直接的靜電排斥勢外，還有一種間接的通過(guò)自由電子氣而相互作用的勢，上述兩種勢的疊加稱(chēng)為原子-原子的有效勢φ(r)。理論分析指出：φ(r)在長(cháng)程內有振蕩（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)金屬的結構和某些熱力學(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)驗一致的g(r)。通過(guò)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。
技術(shù)
中國液態(tài)金屬變形技術(shù)
《不同構象之間的液態(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)和運動(dòng)模式之間轉換的普適變形能力。比如，浸沒(méi)于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形、自旋、定向運動(dòng)，乃至發(fā)生液球之間的自動(dòng)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；較為獨特的是，一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球，變形過(guò)程十分快速，而表面積改變幅度可高達上千倍；此外，在外電場(chǎng)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；依據于電場(chǎng)控制，液態(tài)金屬極易實(shí)現高速的自旋運動(dòng)，并在周?chē)w中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉狀態(tài)下的漩渦對；若適當調整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運動(dòng)方式轉為單一的快速定向移動(dòng)。研究表明，造成這些變形與運動(dòng)的機制之一在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應。以上豐富的物理學(xué)圖景革新了人們對于自然界復雜流體、軟物質(zhì)特別是液態(tài)金屬材料學(xué)行為的基本認識。這些超越常規的物體構象轉換能力很難通過(guò)傳統的剛性材料或流體介質(zhì)實(shí)現，它們事實(shí)上成為用以構筑可變形智能機器的基本要素，為可變形體特別是液體機器的設計和制造開(kāi)辟了全新途徑。
成就
劉靜小組的發(fā)現，為可變形材料特別是液體機器的設計和制造邁出了關(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)現液態(tài)金屬機器人的可能性；事實(shí)上，該研究已打開(kāi)了系列已趨現實(shí)的應用范疇，如制造柔性執行器，控制目標流體或傳感器的定向運動(dòng)、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機器等。若采用空間架構的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機器；甚至，在外太空探索中的微重力或無(wú)重力環(huán)境下，也可發(fā)展對應的機器來(lái)執行相應任務(wù)。
中國研制出世界首臺自主運動(dòng)可變形液態(tài)金屬機器
原標題：中科院與清華聯(lián)合研制出世界首臺自主運動(dòng)可變形液態(tài)金屬機器
中國科學(xué)家造出了世界首臺液態(tài)金屬機器，這一成就被外媒形容為制造出“終結者”。
據中科院理化所網(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新聞等數十個(gè)知名科學(xué)雜志或專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站專(zhuān)題報道，在國際上引起重要反響和熱議。
此項研究于世界上首次發(fā)現了一種異常獨特的現象和機制，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(cháng)時(shí)間高速運動(dòng)，實(shí)現了無(wú)需外部電力的自主運動(dòng)，從而為研制實(shí)用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態(tài)金屬機器人奠定了理論和技術(shù)基礎。這是該小組繼首次發(fā)現電控可變形液態(tài)金屬基本現象(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。
這種液態(tài)金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統，從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關(guān)鍵的一步。文章被選為期刊內前封面故事，Altmetric計量學(xué)數據顯示其指數已達71.0，遠高于期刊平均值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(guò)“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現高速、高效的長(cháng)時(shí)運轉，一小片鋁即可驅動(dòng)直徑約5 mm的液態(tài)金屬球實(shí)現長(cháng)達1個(gè)多小時(shí)的持續運動(dòng)，速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動(dòng)，又能于各種結構槽道中蜿蜒前行；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。
應該說(shuō)，液態(tài)金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡(jiǎn)單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運動(dòng)，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動(dòng)物。這一人工機器的發(fā)明同時(shí)也引申出“如何定義生命”的問(wèn)題。
目前，實(shí)驗室根據上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機器，尺度從數十微米到數厘米，且可在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中運動(dòng)。試驗和理論分析表明，此種自主型液態(tài)金屬機器的動(dòng)力機制來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇前l(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應會(huì )形成內生電場(chǎng)，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱(chēng)響應，繼而對易于變形的液態(tài)金屬機器造成強大推力；與此同時(shí)，上述電化學(xué)反應過(guò)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)金屬馬達行為，這種能量轉換機制對于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動(dòng)力系統也具重要啟示意義。
可變形液態(tài)金屬機器在內含電解液的容器或各種槽道中的自主運動(dòng)情形
在迄今所發(fā)展的各種柔性機器中，自主型液態(tài)金屬機器所表現出的變形能力、運轉速度與壽命水平等均較為罕見(jiàn)，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應用器件之一，論文還特別展示了首個(gè)無(wú)需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過(guò)將其限定于閥座內，可達到自行旋轉并泵送流體的目的，據此可快速制造出大量微泵，滿(mǎn)足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等，成本極低；若將此類(lèi)柔型泵用作降溫，還可實(shí)現高度集成化的微芯片冷卻器；進(jìn)一步的應用可發(fā)展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機器等。
刊載上述首創(chuàng )性發(fā)現的文章在線(xiàn)發(fā)表后，短時(shí)間內即引起世界范圍內眾多科學(xué)雜志、專(zhuān)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)行了報道：“液態(tài)金屬朝可變形機器人邁進(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)金屬馬達靠自身運動(dòng)(Liquid metal motor moves by itself)”為題進(jìn)行了報道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀(guān)察文章和視頻：“可變形金屬馬達擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”；路透社也對此進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)報道。
液態(tài)金屬
眾多報道此項工作的科學(xué)雜志或專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站還有，物理學(xué)家組織網(wǎng)站：“可在液體中自行驅動(dòng)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：“旋轉的液態(tài)金屬馬達(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”；Uncover California：“世界首個(gè)液態(tài)金屬機器人(World's First Liquid Metal Robot)”；Siliconrepublic：“首個(gè)終結者型液態(tài)馬達問(wèn)世，具無(wú)限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”；鏡報mirror：“真實(shí)的終結者1000液態(tài)金屬馬達(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”；Popular Science：“終結者智能液態(tài)金屬或為新一輪軍備競賽的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”；Space Daily等：“液態(tài)金屬機器人幾乎已在這兒，并且他們由中國制造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”；Popular Mechanics：“終結者1000機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(kāi)創(chuàng )性技術(shù)在機器人、藥物遞送、血管和環(huán)境監測等方面的應用前景，認為“機器人工業(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(huì )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(guò)《終結者2》，里頭的大反派T-1000 液態(tài)金屬機器人那幾乎不死的能力讓人不寒而栗
據初步統計，文章發(fā)表兩周左右即已有數百個(gè)科學(xué)或專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站對此進(jìn)行了評介和轉載，說(shuō)明了本項研究工作的影響。
自驅動(dòng)液態(tài)金屬機器的問(wèn)世引申出了全新的可變形機器概念，將顯著(zhù)提速柔性智能機器的研制進(jìn)程。當前，全球圍繞先進(jìn)機器人的研發(fā)活動(dòng)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，并結合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統的機器變革。劉靜小組關(guān)于液態(tài)金屬自驅動(dòng)效應和相應機器形態(tài)的發(fā)現，為今后發(fā)展高級的柔性智能機器人技術(shù)開(kāi)辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應用價(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動(dòng)可變形液態(tài)金屬機器 · 鳳凰網(wǎng)[引用日期2015-03-25]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
