液態(tài)金屬是一種非晶態(tài)合金，俗稱“金屬玻璃”，兼具金屬的優(yōu)良力學(xué)性能與玻璃的易加工成型特性，是支撐未來(lái)精密機(jī)械、電子信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。對(duì)液態(tài)金屬制造業(yè)而言，產(chǎn)能低、市場(chǎng)需求大的供需矛盾一直制約著液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式亟待突破。
圖1 謎一樣的液態(tài)金屬
精美又實(shí)用的材質(zhì)
早在2010年，美國(guó)蘋果公司就開始研究液態(tài)金屬批量化生產(chǎn)的工藝，以期用在iphone手機(jī)外殼上。然而到目前為止，我們并沒(méi)有看到任何一款蘋果產(chǎn)品采用液態(tài)金屬。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)橐簯B(tài)金屬是一種全新、與眾不同的材料，這種全新的材料技術(shù)還沒(méi)有合適的生產(chǎn)設(shè)備能利用好它。
圖2 導(dǎo)熱片生產(chǎn)線示意圖
高端注定稀缺
在液態(tài)金屬解決高端器件的“熱障”問(wèn)題方面，產(chǎn)品的供需矛盾更為突出，液態(tài)金屬導(dǎo)熱片的超級(jí)散熱性能是水的60-70倍，基于低熔點(diǎn)金屬獨(dú)特的熱物理性質(zhì)，液態(tài)金屬不僅可在高性能服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、工控機(jī)、筆記本電腦、通訊基站的芯片熱管理中獲得廣泛應(yīng)用，而且還在諸多關(guān)鍵領(lǐng)域扮演不可或缺的角色，如：先進(jìn)能源領(lǐng)域（工業(yè)余熱利用、太陽(yáng)能熱發(fā)電、聚焦光電池冷卻、燃料電池）、航空熱控領(lǐng)域（衛(wèi)星、熱防護(hù)）、光電器件領(lǐng)域（投影儀、功率電子設(shè)備）、LED 照明領(lǐng)域、微/納電子機(jī)械系統(tǒng)、生物芯片及電動(dòng)汽車等，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值巨大。高端化的用途決定了產(chǎn)品質(zhì)量、精度、外觀的高標(biāo)準(zhǔn)，為滿足如此大的市場(chǎng)需求量，對(duì)液態(tài)金屬導(dǎo)熱片的生產(chǎn)方式提出了更嚴(yán)苛的要求。
圖3 液態(tài)金屬導(dǎo)熱片切割包裝生產(chǎn)線
液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新突破
液態(tài)金屬導(dǎo)熱片是新型材料，傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的軋制、切割、包裝等工藝，均由一般通用設(shè)備完成，設(shè)備針對(duì)性不強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、外觀都難以保證，該領(lǐng)域的主力生產(chǎn)制程設(shè)備還處在空白階段。北鋼聯(lián)有超過(guò)10年的新材料工藝設(shè)備研發(fā)、設(shè)計(jì)、裝備定制的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，擁有智能制造領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈的集成能力，當(dāng)大多數(shù)企業(yè)正處于生產(chǎn)線論證、技術(shù)攻關(guān)時(shí)，北鋼聯(lián)已率先完成了液態(tài)金屬導(dǎo)熱片切割包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制，其技術(shù)在業(yè)內(nèi)具有原創(chuàng)性及領(lǐng)先性。
圖4 北鋼聯(lián)工程師正在進(jìn)行生產(chǎn)線調(diào)試
該生產(chǎn)線采用自動(dòng)收放卷裝置，為切割設(shè)備提供原料，待液態(tài)金屬帶材切割成薄片后，由機(jī)器手自動(dòng)抓取，視覺(jué)系統(tǒng)同步檢測(cè)，計(jì)數(shù)并自動(dòng)稱重，由包裝機(jī)自動(dòng)包覆產(chǎn)品并熱塑收口，實(shí)現(xiàn)真空封裝，最后經(jīng)編碼及噴碼后完成產(chǎn)品下線。該生產(chǎn)線全套流程均由自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行，無(wú)需人工干預(yù)，生產(chǎn)效率可達(dá)700余件/小時(shí)，較傳統(tǒng)產(chǎn)能提升3倍以上，省去30余名人工，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、外觀都有質(zhì)的提高。在該線的研制中，切割設(shè)備的精度是關(guān)鍵，如何在滿足產(chǎn)品快速的生產(chǎn)節(jié)奏下，保證切割精度，同時(shí)要兼容其他規(guī)格產(chǎn)品，是研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須要攻破的難題。北鋼聯(lián)秉承“創(chuàng)造無(wú)限可能”的公司理念，經(jīng)過(guò)細(xì)致的探討及調(diào)研，將模切技術(shù)定為首要實(shí)現(xiàn)方式，模切切割一般用于印刷行業(yè)對(duì)紙張的處理，在該線中經(jīng)過(guò)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的二次開發(fā)及升級(jí)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬導(dǎo)熱片的切割，并且保證切割過(guò)程無(wú)粉塵污染，為該生產(chǎn)線的成功研制奠定了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。
圖5 液態(tài)金屬導(dǎo)熱片
中國(guó)領(lǐng)跑液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展
由于液態(tài)金屬具有的重大戰(zhàn)略價(jià)值，近幾年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛加入探索行列，如美國(guó)NASA在2014年將液態(tài)金屬冷卻研究列為十大前沿課題之一。已有研究表明，浸沒(méi)于水中的液態(tài)金屬對(duì)象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動(dòng)；一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內(nèi)收縮為單顆金屬液球，變形過(guò)程十分迅速，表面積改變幅度可高達(dá)上千倍；液球之間的自動(dòng)融合、斷裂、再合并等行為，可不受液態(tài)金屬對(duì)象大小的限制等。以上豐富的物理學(xué)圖景革新了人們對(duì)于自然界復(fù)雜流體、軟物質(zhì)，特別是液態(tài)金屬材料學(xué)行為的基本認(rèn)識(shí)。這些超越常規(guī)物體的構(gòu)象轉(zhuǎn)換能力，很難通過(guò)傳統(tǒng)的剛性材料或流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，可以說(shuō)，當(dāng)這些技術(shù)真正成熟時(shí)，液態(tài)金屬將真正成為新材料學(xué)科中一匹“卓越的黑馬”。