鎵(Ga)具有高導電性、中等導熱性和液態低毒等特性，是一種很有研究價值的材料。它是一種很有前途的合成智慧功能材料的原料，可以很容易地與許多其他金屬結合形成低熔點合金。鎵銦(EGaIn)、鎵錫(EGaSn)和鎵銦錫(EGaInSn或Galinstan)三種共晶合金以及鎵是最常用的鎵基液體材料(GLMs)。

近日，來自韓國基礎科學研究所的Benjamin V. Cunning& 韓國蔚山國立科學技術研究所的Rodney S. Ruoff等研究者，報道了一種製造液態金屬複合材料的通用方法，透過將鎵(Ga)與氧化物石墨烯(G-O)、石墨、金剛石和碳化矽等非金屬顆粒進行強力混合，這些顆粒根據體積分數表現出糊狀或類似於油灰的行為。相關論文以題為“A general approach to composites containing nonmetallic fillers and liquid gallium”發表在Science Advances上。

論文連結：

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

在下一代可穿戴裝置、軟性機器人和生物相容裝置中，GLMs作為柔軟、柔韌和可伸縮的電子器件的製備材料，已成為一種很有前途的材料；然而，GLM的表面張力使其處理和加工變得複雜，對模式化和重塑提出了挑戰。加入填料製備GLM-基複合材料是解決這些問題的有效方法。目前，已製備了具有良好導熱效能和機械強度的GLM複合材料。

由於Ga易於形成合金，許多不同型別的金屬顆粒，可以在混合過程中被潤溼，從而製成金屬間化合物合金。據報道，含有Cu、Ag或Mg微粒的糊狀GLM混合物是由CuGa2、Ag2Ga和Mg2Ga5等金屬間化合物形成的。這些在混合過程中形成的金屬間化合物會消耗Ga基體，從而改變液態金屬的化學成分；這一過程發生在幾分鐘到幾天的時間內，導致固態金屬間化合物的形成和表面粗糙度的結構變化。

非金屬材料如石墨烯、石墨、金剛石、碳化矽、碳奈米管等具有優異的熱學、電學或力學效能，是製備功能複合材料的優良填料。但直接將非金屬填料，與GLM混合會導致不完全混合或極低的負載。第三種成分，如金屬顆粒或粘性聚合物可被用於改善分散。例如，原始碳奈米管不能與EGaIn混合，但經鉑顆粒表面功能化後，負載質量增加到15重量% (wt %)。MXene顆粒不能加入到純液態鎵中，但當加入1.9%的鎂元素時，MXene顆粒是可分散的。另一種方法是透過磁控濺射在金剛石顆粒表面沉積一層鉻過渡層，從而有利於Ga的分散。雖然這些方法可以在GLM基體中實現穩定的分散，但第三種介質的引入改變了最終複合材料的組成，使製造過程複雜化。無附加介質直接混合非金屬顆粒的創新解決方案可以使填料在GLM中保持完整，從而生產新型功能複合材料。

在此，研究者報道了一種將各種非金屬顆粒與GLM結合的通用方法。透過調整粒徑，利用表面的Ga氧化物層，非金屬顆粒可以分散在GLM中，在高填充分數下形成類似油灰的複合材料。採用直接混合的方法制備了高質量負載氧化石墨烯(G-O)、金剛石(D)、石墨(Gr)和碳化矽(SiC)的柔軟高變形Ga油灰(GalP)。與Ga不同的是，這種類似油灰的混合物可以在任何表面上揉捏和碾壓而不會留下殘留物。透過改變溫度，這些材料可以變硬、變軟，對於含有G-O的複合材料，甚至可以變成多孔材料。含還原G-O (rG-O)的鎵油灰(GalP)具有良好的電磁干擾遮蔽效果。用金剛石填充的GalP具有優異的導熱性和傳熱效能，優於商用液態金屬熱漿料。Ga的共晶合金包括Ga-In (EGaIn)、Ga-Sn (EGaSn)和Ga-In-Sn (EGaInSn或Galinstan)也可以形成複合材料。

圖1 一種由液態鎵與氧化石墨烯填料製成的金屬油灰的合成與表徵。

圖2各種非金屬/GLM複合材料及多孔Ga/rG-O泡沫的製備。

圖3 GaIP在各種基材上可作為紫外線或電磁遮蔽塗層。

圖4 GalP的熱效能。

綜上所述，研究者發現了一種方法，可以用多種不同的填充型別建立GLM複合材料，這極大地拓寬了功能性GLM基複合材料的範圍。（文：水生）