液态金属的结构
液态金属存在的机理分析研究
液态金属存在的机理分析研究液态金属是指在大气压和常温下，由于温度升高而又不上升至其熔点的状态。
其最原始的发现是在20世纪60年代，而其应用范围非常广泛，包括电子封装、冷却材料等。
那么液态金属存在的机理是什么呢？一、液态金属的结构液态金属的结构与其他液体不同，其原子之间没有规则排列的晶体结构，而是成群的原子集聚在一起。
这种离子液体形态在实验和数值模拟的研究中得到了证实。
此外，液态金属的原子之间是以一定的顺序排列的，比如相邻的原子的距离和角度是固定的，而且这些原子也有着类似团簇的结构。
二、液态金属的物理特性液态金属相比其他液体有更高的热导率和导电率，而且其粘度一般较低。
另外，液态金属有非常好的流动性，可以被制成各种形状，被加工成碗状、管状、线状等等。
事实上，液态金属也有一些类似于金属玻璃的形态，比如遭受外力时具备类似于脆性的特性，但这种特性与其组成原子的顺序和团簇结构有关。
三、液态金属存在的机理分析液态金属存在的机理与其物理特性密不可分。
事实上，液态金属存在的机理便是由其原子排列和团簇结构所决定的。
液态金属的原子之间有着一定顺序的排列，而且这种排列是以团簇的形式出现的。
团簇的结构与液态金属的性质密切相关。
团簇的尺寸和顺序对于液态金属的物理特性产生了非常重要的影响。
团簇的结构会影响原子之间的相互作用，进而影响液态金属的物理特性。
例如，如果团簇的尺寸很小，那么这些原子之间的相互作用会非常强，这就会影响金属的粘度和流动性。
此外，团簇的顺序也会影响金属的力学特性，比如耐透过行、耐疲劳等。
总的来说，液态金属存在的机理与其原子之间的团簇结构密不可分。
团簇结构会影响原子之间的相互作用，而这些相互作用会进一步影响液态金属的物理特性。
了解这一机理可以帮助我们更好地理解液态金属的特性，也为我们设计更加高效的液态金属材料提供了参考。
液态金属的结构特点
液态金属的结构特点
1.无规则排列：液态金属的原子排列无规则，这是因为金属离子在高温下具有较高的热能，能够自由移动和碰撞。
2. 高密度：相对于同样质量的固体金属，液态金属的密度更高，这是因为在液态状态下，金属原子之间的间隔更小。
3. 高流动性：液态金属具有很高的流动性，可以很容易地在容
器中流动。
这种特点使得液态金属在工业生产中具有很高的应用价值。
4. 高导电性和热传导性：液态金属具有很高的导电性和热传导性，这是因为金属原子之间的电子云比较活跃，可以快速传递电子和热能。
5. 可以形成球形：液态金属在重力作用下可以形成球形，这是
因为表面张力使得金属表面减小，而内部压力又使得金属向外膨胀，从而形成球形。
总之，液态金属的结构特点和固态金属有很大不同，其高流动性、高密度、高导电性和热传导性等特点，使得液态金属在工业生产中具有重要的应用价值。
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1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
液态金属的结构与性质
液态金属的结构与性质液态金属是一种特殊的物质，其结构与性质具有独特的特点。
本文将对液态金属的结构与性质进行详细介绍。
首先，液态金属的结构与固态金属有一些相似之处，但也有一些不同之处。
固态金属由由排列紧密的原子晶格构成，而液态金属的原子结构则更加随意和无规则。
液态金属中的原子没有固定的位置，它们以无序方式排列，形成一个非晶态结构，没有明确的晶体面，没有长程有序。
液态金属的性质也有一些独特之处。
首先是液态金属的流动性。
由于其无规则的原子结构，液态金属的原子之间没有明确的位置限制，因此可以自由流动。
这使得液态金属可以被容器中的任何形状所包裹，也使得液态金属可以通过一些制作工艺来制成各种形状的物体。
其次，液态金属具有较高的密度。
液态金属由金属原子组成，金属原子通常比较重。
由于原子之间没有明确的位置限制，因此液态金属可以更紧密地排列，使得其密度相对较高。
液态金属还具有良好的导电性和导热性。
金属中的电子随着原子之间的距离较远，形成自由电子，这些自由电子可以在金属中自由移动，从而实现电流的传导。
液态金属中的自由电子同样可以在液态金属中自由移动，因此液态金属具有良好的导电性。
与此类似，液态金属中的原子之间的距离较近，原子之间的振动更为频繁，从而使得热量在液态金属中得以快速传播，使其具有良好的导热性。
此外，液态金属还具有较高的表面张力。
液态金属原子之间的相互作用力较强，特别是在液体表面，原子受到周围原子的吸引力较大，形成一个表面膜。
由于这个表面膜的存在，液态金属的表面张力较高，使得液态金属在任何其他物体表面上都能形成一个相对稳定的液体球形，这也是为什么液态金属滴在表面上会呈现出球形的原因。
液态金属还具有一些特殊的性质和应用。
首先是其较低的熔点。
与晶体金属相比，液态金属由于无序结构的特殊性质，使得其熔点相对较低。
这使得液态金属在一些特殊工艺中得以应用，例如3D打印中的金属打印。
另外，液态金属还具有极好的流动性和可塑性。
液态金属的结构和性质
稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的 径向分布函数（RDF）
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳 层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积；
rm
N1 4 0g(r)r 2dr
r0
N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数， 因为它们描绘了液体的原子排布情况。
一.液态金属的黏度及其影响因素 1.液体黏度的定义及意义 2.黏度的影响因素
1.液体黏度的定义及意义
黏度系数---简称黏度(动力黏度η )，是根据 牛顿提出的数学关系式来定义的：
dvx
o
dy
τ —平行于X方向作用于液体表面
Z
δ
τ
X
V1
V2 V3
V 4
（X-Z面） 的外加剪切应力，
V5
......
通常，表面活性元素使液体黏度降低，非表面 活性元素使黏度提高。
（3）非金属夹杂物 液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属
的黏度增加，如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅 等。这是因为夹杂物的存在使液态金属成为不均 匀的多相体系，液相流动时内摩擦力增加，夹杂 物越多，对黏度影响越大。但有些熔点低的杂质 在液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属 的黏度降低。
量不稳定、结构尺寸不固定。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子
配位数较小、原子排列较混乱。
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
不同温度下液态金属原子的状态
1.2 液态金属的性质
1.2.1 液态金属的黏度 1.2.2 液态金属的表面张力
第1章液态金属的结构和性质
什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。
1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低
二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于 原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化， 热运动增强。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。
液态金属的结构与性质
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中 的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池 中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固 前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性
粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒 细化效果；减轻区域偏析
④对液态金属净化的影响
※斯托克斯公式： Ｖ＝２g(ρ液-ρ杂)r２/9η
仅当ρ杂≤ρ液，夹杂才能上浮，η越大，夹杂 及气泡越难以排除
粘度对成形质量的影响
• 影响铸件轮廓的清晰程度； • 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； • 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： • 对焊缝的质量的影响。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响
意义：N1 与 r1 均描绘了液体的原子排布情况
二、 由物质熔化过程认识液体结构
表 表 1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS 明
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
液
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
2.6
7.03
体
Sc
bcc
302
四、 液态金属的结构特征
“能量起伏” —原子间能量不均匀性 • “结构起伏”—液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 • “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间
的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子 容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表 现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。
S S
表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现 象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理 概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。
液态金属的结构和性质
新型液态金属材料的 研究
通过合理设计晶体结构，可以实 现液态金属的形状记忆作用，这 对于制造细小弹簧等的微系统件 具有重要意义。
液态金属技术在逐渐 增长的产业中的应用
例如液态金属的能量变形和动力 学表征，液态金属的应用在未来 的产业发展中具有广泛的前景和 意义。
液态金属的发展历程
液态金属的最早实验可以追溯到18世纪，但真正形成规模化研究还是在20世 纪60年代，随着液态金属的广泛应用，液态金属的领域将会得到更多的拓展。
2 长时间电解时的热效应
液态金属电解很容易因长时间操作而产生过量的热量影响工业生产。
3 难于处理的反应性个体
液态金属中有许多化学反应难以控制，因为它们处于非常活跃的电子状态。
未来液态金属的研究方向
性能改善
在液态安全使用液态金属的过程 中，新的活性液态金属材料也总 是受到人们的期待。
结论与展望
总结本次液态金属的结构和性质的讲座中，可以看出在我们日常生活和大规模的工业生产中液态金属都扮演着不可 或缺的角色。同时，液态金属在新材料、新技术方面也一直处于人们的瞩目之下。
制备新型催化剂
以细金属液滴为基础的催化剂 可以提高催化活性，促进各种 有机卤化物和芳香烃化合物的 亲电取代反应。
高速传输液态金属技术 的应用
液态金属电控阀和液态金属离 子引擎等技术可用于表面动力 学研究和科学远洋。
液态金属的挑战
1 液态金属化学的不稳定性
液态金属化学中发现了一些稳定性不高的元素，在长时间电化学反应下会转化为其他物 质。
合金化对液态金属性质的影响
生成
通过将不同金属原子的化合物混合形成合金，可以改善 液态金属的某些物理特性，例如延展性和软化。
调节
在不同的合金化组合中，可以通过调节原子间距和比例 来调节液态金属的性质。
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6
Structure and Properties
of Liquid Metals
二
在
在固态
第一章液态金属的结构与性质研究方法
液态金属电阻加大，因原子热振动振幅增大，结构无序性加大；
气、液、固相比较，液态金属结构更接近
衍射图
17液态金属的结构与性质图1-1 700℃液态铝中原子
密
度分布线固态金属：原子在
某一平衡位置热振
动，因此衍射结果
得到的原子密度分
布曲线是一组相距
第一章液态金属的结构与性质20
液态金属的结构与性质其第一峰值与固态时的衍射线（位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固
时的峰值偏离增大，而且随
r 的增大，峰值与固态时的偏
也越来越大。
当它
定邻
近。