下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
低熔点金属是相对于金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）等一般常规高熔点金属而言的熔点低于300℃（478℉，573K）的金属单质及其合金。根据熔点相对于室温的大小，可以分为在室温环境下处于液态和固态的两种低熔点液态金属。在室温环境下呈现液态的低熔点金属一般指的是汞（Hg）、铯（Cs）、镓（Ga）等单质或者钠钾、镓基合金等，即狭义的液态金属。而在室温环境下呈现固态的低熔点金属一般指的是铋（Bi）、铟（In）、锡（Sn）等单质或者合金。由于在室温环境下呈现固态的低熔点金属特别是其形成的合金在少量外部能量输入下，很容易实现固相到液相的转变，同样拥有液态金属的柔性、可拉伸性、顺应性等特性，因此从广义角度讲，室温固态低熔点金属也可以称为液态金属。
低熔点金属在拥有金属固有的导电、导热等特性的同时，还可以从固态金属的高强度、高硬度、高密度等特性向液态金属的柔软性、可拉伸性、流动性等特性进行可逆转变。这一特性使得低熔点金属在打印电子、柔性传感、半导体、先进材料等电子领域得到应用，而且在生物医疗、能源热控等领域也得到了广泛关注。
常见的低熔点金属单质有Hg、Cs、Ga、铷（Rb）、钾（K）、钠（Na）、锂（Li）、In、Sn、Bi等，这些金属单质的性质如表1-1所示 ［21］ 。一般来说，两种或者两种以上金属配制合金时，合金的熔点要低于金属单质的熔点 ［22-24］ ，所以利用低熔点金属单质可配制熔点更低的低熔点金属合金，甚至可以在低熔点金属中添加微量的其他金属元素如Ag、锌（Zn）、铅（Pb）等获得熔点更低的金属 ［25-28］ 。
表1-1 几种典型低熔点金属单质的物理性质
∗1mmHg＝7.501×10 -3 Pa。为方便比较，表中数据不再换算。
从组成成分及其化学性质划分，低熔点金属可分为：①Hg及其合金；②碱金属及其合金；③Ga及镓基合金（既不含碱金属也不含汞）；④Bi、Pb、Sn、镉（Cd）、Zn、In金属及其合金；⑤其他低熔点合金。
汞合金和碱金属合金及其化合物由于其独特的电学性质，在高性能电池、化学药物、原子钟以及其他电子电器产品中获得应用 ［29-32］ 。但这两类低熔点金属因固有的毒性、化学活泼性等因素受到限制，例如Hg及汞合金可对脑、肾和肺等器官产生永久性损害，Hg中毒可导致多种疾病，包括肩痛（粉红色病）、亨特-罗素综合征和水俣病等 ［33，34］ ，因此其广泛性应用受到诸多约束。碱金属及其合金如Li、Na、K、Rb、Cs等化学性质十分活泼，其中Cs是最活泼的元素之一，与水反应产生氢气的同时快速释放热量，易引起着火和剧烈爆炸，即使遇到冷水也可能引发爆炸性反应。为了确保安全性，通常将碱金属保存在矿物油中或在惰性气体下密封在玻璃安瓿中 ［35］ ，同时也要避免与人体皮肤直接接触 ［35，36］ 。Hg及碱金属固有的本征化学特性限制了这两类低熔点金属的普及应用 ［37］ 。
相对来说，Ga、In、Sn、Bi等低熔点金属无毒或者毒性较小，一般吸入或者食用过量才会引起毒性反应，而且化学性质较为稳定，能够在室温环境下使用。镓基合金在室温下可以熔化成液体，由于其良好的导热性，可用于能源热控、柔性机器、增材制造和生物医学。铟基合金具有润湿非金属和金属表面的能力，可用于金属黏合剂。铟合金具备出色的抗疲劳性和可延展性。锡基合金具备良好的延展性，添加Sn的合金在模制和成型时不会变脆。铋基合金毒性低，同时具有较高热导率以及相变潜热，常被用来制作相变换热器件。
本书的讨论对象主要集中于镓基与铋基两大类毒性小、稳定性高的低熔点金属及其合金以及由此发展出的纳米复合材料，由于在室温条件下形态的不同，一般划分为镓基液态金属和铋基低熔点金属。在室温环境下呈现液态的低熔点金属特指的是镓基液态金属，即狭义的液态金属。而熔点稍高于室温的低熔点固态合金，一般指铋基合金，也包括铟锡合金等。
镓基液态金属，一般指Ga单质、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金以及掺混其他金属的镓基低熔点合金。与传统的固态金属相比，这类金属的主要特点是在室温条件下呈现液态，由于过冷度的存在，即使在环境温度低于熔点的情况下也可以保持液态，如图1-1（a）所示 ［38，39］ 。Ga及镓合金兼具金属性与非金属性的特点源于其独特的成键方式。α-Ga（Ga在常温常压下的稳定相）和液态Ga中不仅存在金属键，也存在共价键 ［40-42］ ，这使Ga单质的熔点低至29.8℃ ［43］ ［图1-1（b）和（c）］。共价键的方向性使Ga在相变过程中展现出反常的密度变化［图1-1（d）］。当Ga发生液固相变时，密度降低，体积增大，这点与非金属硅（Si）和磷（P）以及水类似 ［44，45］ 。此外，共价键的存在也使Ga的结构相对松散，从而Ga原子能够渗透到原子间隙较大的金属材料中，如Al。对于共晶镓铟合金而言，In原子倾向于游离态，Ga原子之间仍旧存在共价键，因此共晶合金同样具有低熔点（15.7℃）和非常规的密度变化等特征 ［46］ 。
图1-1 镓基液态金属
（a）镓二元合金宏观形貌；（b）α-Ga的晶体结构，红色表示共价键；（c）Ga的相图 ［43］ ；（d）Ga在相变过程中的异常密度（体积）变化 ［45］ 。
自然界中未发现单质Ga，但可以通过冶炼获得。Ga的熔点为29.8℃（302.98K，85.6℉），略高于室温。液体Ga凝固后体积膨胀率为3.3％，因此，一般在存放镓合金时，不建议将其存储在玻璃容器中，因当Ga改变状态时，可能会由于其体积变化导致的应力过大而使容器破裂。Ga可以通过扩散到金属晶格中来侵蚀其他金属，例如，Ga可以扩散到铝锌合金和钢的晶界中，使合金脆性增加。另外，Ga也容易与多种金属形成合金，比如在核弹钚核的钚-镓合金中少量使用，可以稳定钚（Pu）的晶体结构。镓基合金在室温下同时具有流体与金属的特性，作为流体材料，具有高导电性与高导热性；作为连续态金属，在与柔性基底的复合材料中也呈现出柔性可拉伸特性。
表1-2列出了几种典型镓基液态金属单质与合金 ［47］ 。由表可见，镓合金的熔点一般都低于纯镓的熔点，这和大多数合金的性质类似，即合金熔点一般都低于合金中各元素组分的熔点 ［48，49］ 。在现有的镓基合金应用中，特别是在能源热控和柔性电子领域中，主要以共晶Ga 75.5 In 24.5 为主，其又被称为EGaIn。
表1-2 几种典型镓基液态金属
∗E为共晶合金（eutectic）。
铋基低熔点金属，一般指Bi单质、铋铟合金、铋铟锡合金、铋锡合金以及掺入其他金属的铋基低熔点合金。
Bi是一种呈银白色的脆性金属，表面氧化会使其呈现出多种颜色的虹彩色调［图1-2（a）］。Bi是最自然的抗磁性元素，是金属中导热系数最低的元素之一。长期以来，Bi一直被认为是具有最高原子质量的稳定元素，但在2003年，它被发现具有极弱的放射性：其唯一的原始同位素 209 Bi通过α衰变而衰变，其半衰期超过了宇宙估计年龄的10亿倍 ［50］ 。Bi在凝固时具有不寻常的体积膨胀倾向，由于凝固时的体积膨胀刚好弥补了其他金属凝固时的体积收缩，因而添加适量的Bi可以使金属铸造时凝固前后体积不变。
低熔点的铋基合金通常包含40％～55％的Bi以及其他金属，例如In［图1-2（b）］、Sn、Pb和Cd。铋基合金熔化时通常可与其他金属结合以提高某些性能。例如，Bi经常与Sn或Ag结合以产生无毒的无铅焊料。
图1-2 低熔点金属Bi和In
（a）Bi；（b）In。
铋基低熔点金属常见的应用有：①焊接。铋基低熔点合金经常被用作焊料，由于无毒或低毒特性，Bi和In已代替Pb用于金属焊料 ［51］ 。Bi通常用于热焊接应用，而In通常用于冷焊接应用。②安全装置。由于其熔点低于300℃，因此铋基低熔点金属通常用于制造某些产品的安全装置，例如灭火系统、锅炉和热水器。当温度升高超过特定阈值时，Bi金属安全装置将熔化 ［52］ ，防止因过热和过高的压力而引起火灾或爆炸。③黏接应用。铟基合金可用于特定类型材料的热黏合应用。与铟合金结合的常见材料包括陶瓷、玻璃以及特定类型的金属，包括Au ［53］ 等。④金属涂料。钢铁等金属材料在使用时，由于其使用寿命长和耐用性较高的要求需要保护基础金属免受腐蚀，将低熔点合金（如Sn）与其他金属结合，形成耐腐蚀的表面涂层 ［54］ ，可有效避免生锈和结构劣化。
表1-3中列举了几种熔点低于100℃的共晶铋基低熔点金属 ［55］ ，铋基低熔点金属的应用种类较多，熔点跨度范围较大，所以在不同的应用环境中，可以选择不同熔点的铋基低熔点金属。
表1-3 几种典型铋基低熔点金属
∗E为共晶合金（eutectic）。