车用液态金属材料现状及未来发展趋势*

丁龙飞 王童 陈轶嵩 金泰峰 张凌霄 刘永涛

（长安大学，汽车学院，西安710021）

主题词：汽车 液态金属 车用材料 发展趋势

1 引言

材料领域的每一次重大突破都将对其他领域的技术应用产生重要影响，诺贝尔化学奖获得者、以色列理工学院教授Dan Shechtman曾表示：“在今天的技术中，最大的一个限制就是材料技术方面的缺乏”。毫无疑问，新材料的研发将是未来科学技术发展的重要方向。

液态金属是近年来新材料研究领域的一个热点，在工信部印发的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》中，液态金属被列为前沿新材料[1]。与传统材料相比，液态金属有着诸多优良特性，它的出现突破了许多技术瓶颈，颠覆了众多传统产业的发展，这其中就包括了汽车产业。本文将对液态金属及其在车辆上的应用现状进行介绍，并对车用液态金属材料未来的发展趋势进行展望。

2 液态金属材料及其特性

2.1 常用液态金属材料

液态金属材料是指在室温或接近室温时依然可以保持液态的金属，又称低熔点金属。常见的液态金属主要包括：铯(Cs)、铷(Rb)、汞(Hg)以及镓(Ga)。其中汞、铯、铷在常温下也是液态，由于具有毒性、放射性或不稳定性，在实际使用中会受到诸多限制。而镓基、铋基金属及其合金因其安全无毒、性能卓越的特点，在工业领域展现出巨大的应用潜力。

自然界中常温液态纯金属的种类较少，主要有汞、镓、铯，因此实际使用时一般采用液态金属合金材料。为发现新的液态金属功能材料，进而解决材料种类短缺的问题，国内已有研究团队提出了液态金属材料基因组计划[2]。

2.2 液态金属基本特性

液态金属材料集成了多种功能材料的优良性能，具有良好的流动性、强导电性多种优势。以下以液态金属镓及其合金为例，介绍液态金属的基本特性（表1）。

表1 液态金属镓及其合金的主要物理性质[3]

2.2.1 导热性

对于高性能芯片，“热障”问题一直是限制其向更高性能发展的一大瓶颈。液态金属凭借高导热特性，可代替传统的冷却介质对热源进行冷却。

2.2.2 流动性

液态金属的粘度较低，为0.002 2 kg/（m2·s-1），水的粘度为0.001 kg/(m2·s-1)，因此液态金属拥有与水相近的流动性。基于这一特性，液态金属可用作电池电极，从而在根本上避免固态电极的枝晶问题[4]。

2.2.3 密度

尽管常规的液态金属密度很高，但通过制备轻质液态金属，可得到低密度液态金属复合材料（图1），其密度可低至水的一半，且纯液态金属的导电性、导热性、力学强度及固液相变性质能得到保留[5]。

图1 基于液态金属-中空玻璃微珠制成的轻量化复合材料及对应密度[6]

3 车用液态金属使用现状

3.1 液态金属在汽车中的应用

3.1.1 汽车喷漆

液态金属车漆率先在高端车型上得到使用。例如，保时捷的918 Spyder（图2），作为保时捷旗下的一款超级跑车，该款车型采用了液态金属作为漆面，使整车具有非常亮眼的外观，但选装价格也高达83.09万元人民币。近年来，液态金属漆面也逐渐在乘用车上使用，例如日产旗下的英菲尼迪QX60也采用液态金属漆面（图3）。

图2 保时捷918 Spyder

图3 英菲尼迪QX60

3.1.2 车门

车门锁盖应具有较高的强度、耐磨性、高弹性和静音性能。由液态金属制成的车门锁盖可以提高锁的耐久性和门闭合效果。目前，宜安科技公司生产的液态金属汽车锁盖已成功在特斯拉Model 3车型上得到应用（图4、图5）。

图4 特斯拉Model 3

图5 液态金属锁盖

3.13 汽车装饰件

液态金属具有优异的耐腐蚀性，出色的光洁表面度和高硬度，不少高端汽车会在内饰中使用液态金属装饰部件（图6）。

图6 液态金属内饰

3.1.4 车身

液态金属也可作为车身材料应用于整车。最先将液态金属用于车身的是一款3D打印概念车（图7），其车身采用了大面积液态金属，但只能作展览，不能进行驾驶。随后，宝马也发布了一款名为Motorrad Concept Link的电动概念车（图8），其车身也采用液态金属材料且能够实际使用，虽然未能实现量产，但它的诞生也表明了液态金属作为车身材料是一个可行方向。

图7 3D打印的液态金属车身

图8 宝马Motorrad Concept Link

3.2 车用液态金属存在的问题

3.2.1 液态金属成本过高

液态金属材料种类较少，但可选材料并不多，其原材料大多为稀有金属，且成本较高，例如近半年来镓的价格已超过2 000元/kg，使得液态金属尚不能在车辆上大量使用，进而限制了车用液态金属材料的快速发展和应用。

3.2.2 尺寸限制

利用液态金属制造大型部件的工艺难度极高，成品率比较低，这也是目前液态金属产品中小型零配件居多的原因。车辆上使用的零部件通常体积较大，这意味着要想在车辆上大面积推广液态金属，必须掌握大块部件成型制造的核心技术。

4 车用液态金属材料发展趋势

4.1 车身轻量化材料

车身轻量化的目的是在确保车身的强度和安全性能达到要求的前提下，最大限度减轻汽车车身质量，同时要控制汽车车身的制造成本在一个合理范围内。

新能源汽车产业作为我国汽车行业能源结构转型的一项重要战略，对车身轻量化有着更高的要求。有研究显示：对于电动汽车而言，减轻100 kg车重大约能增加车辆续驶里程的10%[7]。现阶段车身轻量化材料主要有高强度钢、镁合金、铝合金。液态金属作为新型材料也可用于车身，且由于液态金属复合材料的密度可低至水的密度的一半。若将其应用于车身，车身可进一步实现轻量化。

4.2 车辆电子器件冷却

随着汽车智能化、电动化等前沿技术发展，汽车传感器等电子器件的数量也在增加，而电子器件散热的情况将严重影响电子产品工作的可靠性，进而影响车辆的实际使用性能。传统的电子器件散热技术发展较为完备，主要的散热技术有空冷散热、液冷散热及热管散热等。

目前，液态金属散热技术也有相关研究，国内自2002年以来，刘静研究员的团队和其他研究人员就在持续研究液态金属冷却技术[8]。国外，2009年，Aqwest公司(美国)在美国空军资助下，已开始开发用于混合动力汽车(Hybrid Electric Vehide，HEV)和插电式HEV逆变器的大功率激光二极管[9-10]和大功率电子芯片[11-12]的液态金属冷却技术，并成功开发了一种紧凑的圆形液态金属散热装置。

可见液态金属散热技术作为新型散热技术，有望成为未来汽车电子设备散热技术的发展趋势。

4.3 动力电池材料

通常所说的新能源汽车“三电技术”包括动力电池技术、驱动电机技术以及整车电控技术。其中，动力电池是最为关键的一项，动力电池的技术水平将直接影响车辆的续航能力和驾驶性能。

目前，新能源汽车使用的动力电池主要是三元电池和磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池具有能量密度较高、安全性能好、循环寿命长、低成本等优点。但存在能量密度较低，电池性能受温度影响较大的缺点；而三元电池的能量密度高、循环性能较好，但热稳定性较差。

为提高动力电池的使用性能，可采用液态金属作为动力电池的电极材料。研究显示，由于液态金属的流动性较好，若将其用作电池的电极材料，可以从根本上解决传统可充电电池存在的枝晶、材料脱落和粉化问题[13]，从而提高汽车动力电池的使用性能。可预见，液态金属材料在未来有望在汽车动力电池上普及。

5 总结

从材料的角度，液态金属材料有别于以往汽车上的任何材料。尽管目前液态金属作为新型材料在车辆上的应用并不广泛，这其中既有成本因素也有技术因素。但随着近些年液态金属技术的不断突破以及车辆的“四化”发展，液态金属在车辆上有望得到广泛使用。