車用液態金屬材料現狀及未來發展趨勢*

丁龍飛 王童 陳軼嵩 金泰峰 張凌霄 劉永濤

（長安大學，汽車學院，西安710021）

主題詞：汽車 液態金屬 車用材料 發展趨勢

1 引言

材料領域的每一次重大突破都將對其他領域的技術應用產生重要影響，諾貝爾化學獎獲得者、以色列理工學院教授Dan Shechtman曾表示：“在今天的技術中，最大的一個限制就是材料技術方面的缺乏”。毫無疑問，新材料的研發將是未來科學技術發展的重要方向。

液態金屬是近年來新材料研究領域的一個熱點，在工信部印發的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》中，液態金屬被列為前沿新材料[1]。與傳統材料相比，液態金屬有著諸多優良特性，它的出現突破了許多技術瓶頸，顛覆了眾多傳統產業的發展，這其中就包括了汽車產業。本文將對液態金屬及其在車輛上的應用現狀進行介紹，并對車用液態金屬材料未來的發展趨勢進行展望。

2 液態金屬材料及其特性

2.1 常用液態金屬材料

液態金屬材料是指在室溫或接近室溫時依然可以保持液態的金屬，又稱低熔點金屬。常見的液態金屬主要包括：銫(Cs)、銣(Rb)、汞(Hg)以及鎵(Ga)。其中汞、銫、銣在常溫下也是液態，由于具有毒性、放射性或不穩定性，在實際使用中會受到諸多限制。而鎵基、鉍基金屬及其合金因其安全無毒、性能卓越的特點，在工業領域展現出巨大的應用潛力。

自然界中常溫液態純金屬的種類較少，主要有汞、鎵、銫，因此實際使用時一般采用液態金屬合金材料。為發現新的液態金屬功能材料，進而解決材料種類短缺的問題，國內已有研究團隊提出了液態金屬材料基因組計劃[2]。

2.2 液態金屬基本特性

液態金屬材料集成了多種功能材料的優良性能，具有良好的流動性、強導電性多種優勢。以下以液態金屬鎵及其合金為例，介紹液態金屬的基本特性（表1）。

表1 液態金屬鎵及其合金的主要物理性質[3]

2.2.1 導熱性

對于高性能芯片，“熱障”問題一直是限制其向更高性能發展的一大瓶頸。液態金屬憑借高導熱特性，可代替傳統的冷卻介質對熱源進行冷卻。

2.2.2 流動性

液態金屬的粘度較低，為0.002 2 kg/（m2·s-1），水的粘度為0.001 kg/(m2·s-1)，因此液態金屬擁有與水相近的流動性。基于這一特性，液態金屬可用作電池電極，從而在根本上避免固態電極的枝晶問題[4]。

2.2.3 密度

盡管常規的液態金屬密度很高，但通過制備輕質液態金屬，可得到低密度液態金屬復合材料（圖1），其密度可低至水的一半，且純液態金屬的導電性、導熱性、力學強度及固液相變性質能得到保留[5]。

圖1 基于液態金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復合材料及對應密度[6]

3 車用液態金屬使用現狀

3.1 液態金屬在汽車中的應用

3.1.1 汽車噴漆

液態金屬車漆率先在高端車型上得到使用。例如，保時捷的918 Spyder（圖2），作為保時捷旗下的一款超級跑車，該款車型采用了液態金屬作為漆面，使整車具有非常亮眼的外觀，但選裝價格也高達83.09萬元人民幣。近年來，液態金屬漆面也逐漸在乘用車上使用，例如日產旗下的英菲尼迪QX60也采用液態金屬漆面（圖3）。

圖2 保時捷918 Spyder

圖3 英菲尼迪QX60

3.1.2 車門

車門鎖蓋應具有較高的強度、耐磨性、高彈性和靜音性能。由液態金屬制成的車門鎖蓋可以提高鎖的耐久性和門閉合效果。目前，宜安科技公司生產的液態金屬汽車鎖蓋已成功在特斯拉Model 3車型上得到應用（圖4、圖5）。

圖4 特斯拉Model 3

圖5 液態金屬鎖蓋

3.13 汽車裝飾件

液態金屬具有優異的耐腐蝕性，出色的光潔表面度和高硬度，不少高端汽車會在內飾中使用液態金屬裝飾部件（圖6）。

圖6 液態金屬內飾

3.1.4 車身

液態金屬也可作為車身材料應用于整車。最先將液態金屬用于車身的是一款3D打印概念車（圖7），其車身采用了大面積液態金屬，但只能作展覽，不能進行駕駛。隨后，寶馬也發布了一款名為Motorrad Concept Link的電動概念車（圖8），其車身也采用液態金屬材料且能夠實際使用，雖然未能實現量產，但它的誕生也表明了液態金屬作為車身材料是一個可行方向。

圖7 3D打印的液態金屬車身

圖8 寶馬Motorrad Concept Link

3.2 車用液態金屬存在的問題

3.2.1 液態金屬成本過高

液態金屬材料種類較少，但可選材料并不多，其原材料大多為稀有金屬，且成本較高，例如近半年來鎵的價格已超過2 000元/kg，使得液態金屬尚不能在車輛上大量使用，進而限制了車用液態金屬材料的快速發展和應用。

3.2.2 尺寸限制

利用液態金屬制造大型部件的工藝難度極高，成品率比較低，這也是目前液態金屬產品中小型零配件居多的原因。車輛上使用的零部件通常體積較大，這意味著要想在車輛上大面積推廣液態金屬，必須掌握大塊部件成型制造的核心技術。

4 車用液態金屬材料發展趨勢

4.1 車身輕量化材料

車身輕量化的目的是在確保車身的強度和安全性能達到要求的前提下，最大限度減輕汽車車身質量，同時要控制汽車車身的制造成本在一個合理范圍內。

新能源汽車產業作為我國汽車行業能源結構轉型的一項重要戰略，對車身輕量化有著更高的要求。有研究顯示：對于電動汽車而言，減輕100 kg車重大約能增加車輛續駛里程的10%[7]。現階段車身輕量化材料主要有高強度鋼、鎂合金、鋁合金。液態金屬作為新型材料也可用于車身，且由于液態金屬復合材料的密度可低至水的密度的一半。若將其應用于車身，車身可進一步實現輕量化。

4.2 車輛電子器件冷卻

隨著汽車智能化、電動化等前沿技術發展，汽車傳感器等電子器件的數量也在增加，而電子器件散熱的情況將嚴重影響電子產品工作的可靠性，進而影響車輛的實際使用性能。傳統的電子器件散熱技術發展較為完備，主要的散熱技術有空冷散熱、液冷散熱及熱管散熱等。

目前，液態金屬散熱技術也有相關研究，國內自2002年以來，劉靜研究員的團隊和其他研究人員就在持續研究液態金屬冷卻技術[8]。國外，2009年，Aqwest公司(美國)在美國空軍資助下，已開始開發用于混合動力汽車(Hybrid Electric Vehide，HEV)和插電式HEV逆變器的大功率激光二極管[9-10]和大功率電子芯片[11-12]的液態金屬冷卻技術，并成功開發了一種緊湊的圓形液態金屬散熱裝置。

可見液態金屬散熱技術作為新型散熱技術，有望成為未來汽車電子設備散熱技術的發展趨勢。

4.3 動力電池材料

通常所說的新能源汽車“三電技術”包括動力電池技術、驅動電機技術以及整車電控技術。其中，動力電池是最為關鍵的一項，動力電池的技術水平將直接影響車輛的續航能力和駕駛性能。

目前，新能源汽車使用的動力電池主要是三元電池和磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池具有能量密度較高、安全性能好、循環壽命長、低成本等優點。但存在能量密度較低，電池性能受溫度影響較大的缺點；而三元電池的能量密度高、循環性能較好，但熱穩定性較差。

為提高動力電池的使用性能，可采用液態金屬作為動力電池的電極材料。研究顯示，由于液態金屬的流動性較好，若將其用作電池的電極材料，可以從根本上解決傳統可充電電池存在的枝晶、材料脫落和粉化問題[13]，從而提高汽車動力電池的使用性能。可預見，液態金屬材料在未來有望在汽車動力電池上普及。

5 總結

從材料的角度，液態金屬材料有別于以往汽車上的任何材料。盡管目前液態金屬作為新型材料在車輛上的應用并不廣泛，這其中既有成本因素也有技術因素。但隨著近些年液態金屬技術的不斷突破以及車輛的“四化”發展，液態金屬在車輛上有望得到廣泛使用。