金属镓的腻子状复合材料具有在现实世界中的应用潜力

镓是一种非常有用的元素，它伴随着整个20世纪人类文明的发展而发展。镓被指定为技术关键元素，因为它对于制造半导体和晶体管必不可少。值得注意的是，氮化镓和相关化合物可以发现蓝色LED，这是开发节能高效且持久的白色LED照明系统的最终关键。这一发现导致授予2014年诺贝尔物理学奖。据估计，高达98%的镓需求来自半导体和电子行业。

镓除了用于电子领域外，其独特的物理性质还导致其在其他领域的应用。镓本身是一种熔点很低的金属，在室温(30°C)以上时是液体。而且，镓能够与多种其他金属形成几种共晶体系(熔点比其任何成分(包括镓)低的合金)。纯镓和这些镓基液态金属合金均具有高表面张力，并且被认为在大多数表面上是“不可扩散的”。这使它们难以处理，成型或加工，从而限制了其在实际应用中的潜力。然而，最近的发现可能已经释放了镓在功能材料领域中更广泛使用的可能性。

韩国蔚山市基础科学研究所(IBS)的多维碳材料中心(CMCM)和蔚山国立科学技术研究院(UNIST)的研究小组发明了一种将填料颗粒掺入液体中的新方法镓以形成液态金属的功能复合材料。填料的加入取决于添加的颗粒的量，将材料从液态转变成糊状或油灰状形式(具有类似于商品“橡皮泥”的稠度和“感觉”)。在使用氧化石墨烯(GO)作为填充材料的情况下，GO含量为1.6〜1.8%会形成糊状，而3.6%的腻子形成最佳。科学进展。

镓基液态金属内颗粒的混合会改变材料的物理性质，从而使处理起来更加容易。第一作者王春晖指出：“液态镓复合材料形成糊状或腻子的能力是非常有益的。它消除了应用中镓处理的大部分问题。它不再弄脏表面，可以将其涂或涂在表面上。几乎可以在任何表面上将其模制成各种形状。这为镓开辟了前所未有的多种应用。” 该发现的潜在应用包括需要柔软而灵活的电子设备的情况，例如在可穿戴设备和医疗植入物中。研究甚至表明，该复合材料可制成具有极高耐热性的多孔泡沫状材料，

在这项研究中，研究小组能够确定使填料与液体镓成功混合的因素。通讯作者本杰明·坎宁(Benjamin Cunning)描述了先决条件：“液态镓暴露于空气中会形成氧化物'表皮'，这对于混合至关重要。这种表皮覆盖了填料颗粒并使其稳定在镓内，但这种表皮具有弹性。我们了解到必须使用足够大的颗粒，否则将不会发生混合并且无法形成复合材料。”

Seunghwan和LEE Jaeson教授进行的。导热系数实验表明，含金刚石的复合材料的整体导热系数高达〜110 W m-1 K-1，其中较大的填料颗粒会产生较大的导热系数。这超过了市售导热膏(79 W m-1 K-1)的导热率超过50%。

应用实验进一步证明了镓-金刚石混合物作为热源和散热器之间的热界面材料(TIM)的有效性。有趣的是，尽管导热系数较低，但具有较小尺寸金刚石颗粒的复合材料仍具有出色的实际冷却能力。这种差异的原因是由于较大的钻石颗粒更容易穿过大块镓突出，并在散热器或热源与TIM的界面处形成气隙，从而降低了其有效性。(Ruoff指出，将来有一些可能的方法可以解决此问题。)

最后，该小组甚至创建并测试了一种由镓金属和市售有机硅腻子(更好地称为“傻腻子”)(Crayola LLC)的混合物制成的复合材料。最后一种类型的含镓复合材料是通过完全不同的机制形成的，该机制涉及镓的小液滴分散在整个腻子腻子中。尽管它不具有上述Ga / rG-O令人印象深刻的EMI屏蔽能力(该材料需要2 mm的涂层才能达到相同的70 dB屏蔽效率)，但仍具有出色的机械性能。由于该复合材料使用有机硅聚合物而不是金属镓作为基础材料，因此除了具有延展性之外，还具有可拉伸性。

CMCM主任Rod Ruoff教授想到了将此类碳填料与液态金属混合的想法。他说：“我们于2019年9月首次提交了这项工作，此后进行了几次迭代。我们发现，液态镓中可以掺入各种各样的颗粒，并提供了对颗粒尺寸如何发挥作用的基本理解。我们发现这种行为扩展到了在室温以下呈液态的镓合金，例如铟镓，锡镓和铟锡镓，我们的UNIST合作者的能力已证明在这些方面的出色应用复合材料，我们希望我们的工作能够启发其他人发现令人兴奋的应用带来新的功能性填充剂。”

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