《Science》子刊：一种制造液态金属复合材料的通用方法！

镓(Ga)具有高导电性、中等导热性和液态低毒等特性，是一种很有研究价值的材料。它是一种很有前途的合成智能功能材料的原料，可以很容易地与许多其他金属结合形成低熔点合金。镓铟(EGaIn)、镓锡(EGaSn)和镓铟锡(EGaInSn或Galinstan)三种共晶合金以及镓是最常用的镓基液体材料(GLMs)。

近日，来自韩国基础科学研究所的Benjamin V. Cunning& 韩国蔚山国立科学技术研究所的Rodney S. Ruoff等研究者，报道了一种制造液态金属复合材料的通用方法，通过将镓(Ga)与氧化物石墨烯(G-O)、石墨、金刚石和碳化硅等非金属颗粒进行强力混合，这些颗粒根据体积分数表现出糊状或类似于油灰的行为。相关论文以题为“A general approach to composites containing nonmetallic fillers and liquid gallium”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabe3767

在下一代可穿戴设备、软性机器人和生物兼容设备中，GLMs作为柔软、柔韧和可伸缩的电子器件的制备材料，已成为一种很有前途的材料；然而，GLM的表面张力使其处理和加工变得复杂，对模式化和重塑提出了挑战。加入填料制备GLM-基复合材料是解决这些问题的有效方法。目前，已制备了具有良好导热性能和机械强度的GLM复合材料。

由于Ga易于形成合金，许多不同类型的金属颗粒，可以在混合过程中被润湿，从而制成金属间化合物合金。据报道，含有Cu、Ag或Mg微粒的糊状GLM混合物是由CuGa₂、Ag₂Ga和Mg₂Ga₅等金属间化合物形成的。这些在混合过程中形成的金属间化合物会消耗Ga基体，从而改变液态金属的化学成分；这一过程发生在几分钟到几天的时间内，导致固态金属间化合物的形成和表面粗糙度的结构变化。

非金属材料如石墨烯、石墨、金刚石、碳化硅、碳纳米管等具有优异的热学、电学或力学性能，是制备功能复合材料的优良填料。但直接将非金属填料，与GLM混合会导致不完全混合或极低的负载。第三种成分，如金属颗粒或粘性聚合物可被用于改善分散。例如，原始碳纳米管不能与EGaIn混合，但经铂颗粒表面功能化后，负载质量增加到15重量% (wt %)。MXene颗粒不能加入到纯液态镓中，但当加入1.9%的镁元素时，MXene颗粒是可分散的。另一种方法是通过磁控溅射在金刚石颗粒表面沉积一层铬过渡层，从而有利于Ga的分散。虽然这些方法可以在GLM基体中实现稳定的分散，但第三种介质的引入改变了最终复合材料的组成，使制造过程复杂化。无附加介质直接混合非金属颗粒的创新解决方案可以使填料在GLM中保持完整，从而生产新型功能复合材料。

在此，研究者报道了一种将各种非金属颗粒与GLM结合的通用方法。通过调整粒径，利用表面的Ga氧化物层，非金属颗粒可以分散在GLM中，在高填充分数下形成类似油灰的复合材料。采用直接混合的方法制备了高质量负载氧化石墨烯(G-O)、金刚石(D)、石墨(Gr)和碳化硅(SiC)的柔软高变形Ga油灰(GalP)。与Ga不同的是，这种类似油灰的混合物可以在任何表面上揉捏和碾压而不会留下残留物。通过改变温度，这些材料可以变硬、变软，对于含有G-O的复合材料，甚至可以变成多孔材料。含还原G-O (rG-O)的镓油灰(GalP)具有良好的电磁干扰屏蔽效果。用金刚石填充的GalP具有优异的导热性和传热性能，优于商用液态金属热浆料。Ga的共晶合金包括Ga-In (EGaIn)、Ga-Sn (EGaSn)和Ga-In-Sn (EGaInSn或Galinstan)也可以形成复合材料。

图1 一种由液态镓与氧化石墨烯填料制成的金属油灰的合成与表征。

图2各种非金属/GLM复合材料及多孔Ga/rG-O泡沫的制备。

图3 GaIP在各种基材上可作为紫外线或电磁屏蔽涂层。

图4 GalP的热性能。

综上所述，研究者发现了一种方法，可以用多种不同的填充类型创建GLM复合材料，这极大地拓宽了功能性GLM基复合材料的范围。（文：水生）