Металл находящийся в жидком состоянии

Жидкий металл: структура, свойства

Сегодня уже поколебалось привычное представление о том, что металл в обычном состоянии – вещество твердое. Долгое время считалось, что единственное исключение из этого утверждения – ртуть, которая в жидком состоянии остается до -39° C. Ответ на вопрос о том, какой металл жидкий, не так однозначен.

Жидкие металлы в природе

На самом деле ртуть не является единственным в мире жидким металлом. Известны еще галлий, цезий и франций, которые находятся в жидком состоянии до +30° C.

Галлий очень широко применяется, например, в электронике. Кроме того, что он плавится при низких температурах, галлий, и это главное его достоинство, закипает при температуре не ниже 2230° C. Необычайно широкий интервал расплава дает возможность использовать этот элемент в работе атомных реакторов.

Не менее востребованным элементом является цезий, несмотря на то что его в земной коре крайне мало и добыча его затруднена.

А вот радиоактивный элемент франций, период полураспада которого составляет чуть больше 22 минут, образуется при распаде актиния, и до сих пор неизвестно, как он выглядит. Даже ученые о нем знают очень мало, и знания эти накапливаются по крупицам. Научные лаборатории проводят исследования этого элемента на образцах массой в одну десятимиллионную долю грамма, которая каждые двадцать две с небольшим минуты уменьшается вдвое.

То есть при температурах, немногим отличающихся от комнатной, жидкими металлами можно назвать четыре элемента периодической таблицы Менделеева, включая ртуть.

Строение металлов

В металлах атомы располагаются в строгом геометрическом порядке и образуют кристаллическую решетку. Их виды в разных металлах и сплавах различаются в зависимости от количества и расположения атомов.

В расплавленных металлах атомы находятся в хаотическом движении, и связи между ними нарушаются.

Обычный расплавленный жидкий металл из мартена – это всего лишь материал с кристаллической решеткой и обычными свойствами твердого тела при нормальной температуре.

При охлаждении жидкого металла начинается процесс кристаллизации, скорость которого возрастает с понижением температуры. Связи между атомами восстанавливаются, и образовывается кристаллическая решетка. Нарушение целостности металла, например, образование ржавчины или трещин, происходит именно на границах между кристаллами. То есть если не существует четких границ между кристаллами, меняются не только механические, но и электрические, и магнитные свойства металла.

Свойства жидких металлов

Ученые утверждают, что аморфные материалы могут быть прочнее кристаллических аналогов в десять раз, а их электрическое сопротивление выше в пять раз. Причем при нормальной температуре они способны сохранять свойства более ста лет, но высокую температуру переносят плохо.

Если жидкий металл из мартена охладить настолько быстро, что связи между атомами и кристаллами не успеют восстановиться, то получится вещество в аморфном состоянии, соединяющее в себе свойства металлов и жидкостей.

Оно обладает поверхностным натяжением и вязкостью жидкостей, а сжимается и отражает электромагнитные волны, как всякий металл. Структура жидких металлов – это хаотическое скопление атомов без жестких связей между ними.

Поскольку отсутствует кристаллическая структура, такие вещества обладают замечательными магнитными свойствами, высокими показателями прочности на растяжение и ударной вязкости.

Жидкий металл прочнее титана более чем в два раза, не ржавеет и может отливаться в форму, даже самую сложную, как любой пластический материал. При этом после отливки дополнительно обрабатывать изделие не нужно – у него четкие очертания и идеально гладкая поверхность.

Жидкие металлы на основе галлия

Сплавы на основе легкоплавких металлов, а их в мировой промышленности используется около тридцати, имеют температуру плавления меньше 70° С. Большинство из них химически активны и токсичны. Сплавы на основе галлия, в которые в разных пропорциях входят индий, олово и цинк, плавятся при низких температурах, меньше 40° С, и не являются ни токсичными, ни химически активными. В промышленности их используется всего восемь, но вариаций может быть значительно больше, в зависимости от процентного соотношения компонентов.

Температура плавления, °С

Эти сплавы жидкими металлами и являются. Они не токсичны, но специалисты рекомендуют при работе с ними соблюдать меры предосторожности и работать в резиновых или хлопчатобумажных перчатках.

Способы получения жидких металлов

Если не говорить о жидких металлах на основе галлия, то в первую очередь ученые искали возможность быстрого охлаждения расплавленного металла. Существует способ распыления металла с помощью устройства, напоминающего пульверизатор, тонким слоем на очень холодную поверхность. Метод носит название “ионно-плазменное распыление”. Используется и нанесение жидкого металла на вращающийся диск. В любом случае такими способами можно было получить узкие полоски металла, которые нельзя соединить между собой горячими методами, обычными для кристаллических веществ.

Следующим этапом было создание сплавов из металлов, которые друг с другом сочетаются плохо. Специалисты Калифорнийского технологического института разработали сплав с названием Liquidmetal. В состав жидкого металла входят титан, медь, никель, цирконий и бериллий. При остывании такого сплава кристаллизация происходит очень медленно, так как атомы металлов очень отличаются по размерам.

Применение жидких металлов

Жидкие металлы на основе галлия используются в системах пожарной сигнализации, в качестве теплоносителя в системах охлаждения с высокими рабочими температурами.

В период, когда сплав “жидкий металл” получали в виде узких ленточек, применение ему нашли при создании кодовой маркировки, предназначенной для борьбы с хищениями и использования в покрытии буровых труб для увеличения срока их службы.

Когда был создан Liquidmetal, его начали применять при изготовлении клюшек для гольфа. Расчеты показали, что такая клюшка передает мячу более мощное энергетическое усилие, чем обычная.

Специалисты Liquidmetal Technologies участвуют в разработках ведущих производителей лыж и бейсбольных бит.

В оборонной промышленности Liquidmetal может заменить обедненный уран в снарядах, пробивающих броню.

В России из жидкого металла, полученного из расплава, охлажденного на вращающемся диске, стали изготавливать элементы и микропровода для особо чувствительной и точной аппаратуры, в медицинском приборостроении и электронной технике, фильтры для защиты ценных бумаг и банкнот от подделок и многое другое.

Жидкие металлы в качестве термоинтерфейса

В измерительной технике, радиоэлектронных устройствах и бытовых компьютерах широко используется термоинтерфейс.

Термоинтерфейс – это термопроводящее вещество, которое наносится тонким слоем между поверхностью, которую необходимо охлаждать, и устройством, предназначенным для отвода тепла.

К нему предъявляются высокие требования:

– постоянная консистенция, которая не изменяется при работе или хранении;

– стабильность характеристик в рабочем диапазоне температур;

– нетоксичность и негорючесть;

– легкость нанесения и удаления с поверхности;

– минимальное тепловое сопротивление.

Наиболее распространенным видом термоинтерфейса является теплопроводная паста, или, проще говоря, термопаста. Жидкий металл с высоким коэффициентом теплопроводности и другими свойствами как нельзя лучше соответствует предъявляемым к термопастам требованиям.

В компьютерах на печатных платах процессоров выделяется большое количество тепла. Поверх процессора устанавливается охлаждающий механизм (радиатор). Чтобы повысить эффективность отвода тепла и убрать воздушную прослойку между кулером и процессором, используются термопасты.

Продукты компании Coollaboratory

Компанией Coollaboratory был разработан продукт, полностью состоящий из жидких металлов, без твердых частиц и неметаллических добавок.

Жидкий металл Coollaboratory Liquid Pro – теплопроводящий материал с высокой теплопроводностью, внешне напоминающий ртуть, но нетоксичный, характеризуется высокой способностью к смачиванию многих материалов.

Coollaboratory Liquid Ultra в виде пасты легко наносится кисточкой на теплораспределительную крышку процессора.

Coollaboratory Liquid Metal Pad представляет собой теплопроводящую прокладку, которая легко наносится на поверхность и плавится только при нагреве процессора.

Все эти жидкие металлы не могут работать при контакте с алюминием – радиатор должен быть выполнен из меди с никелевым покрытием. Производитель заявляет об уникальных показателях теплопроводности Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на этот жидкий металл отзывы неоднозначны, и многие пользователи выказывают сомнения в заявленных характеристиках.

Применение жидкого металла производителями смартфонов

В настоящее время в американской версии iPhone комплектуется инструментом для извлечения SIM-карты, говоря иначе, i-Скрепкой из жидкого металла.

Но такое уникальное вещество с возможностью принимать при незначительной массе любые формы, антикоррозионными свойствами и особенно высокой прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом восстановления можно использовать и для изготовления корпусов смартфонов, флешек и часов. В планах Apple – изготовление клавиши Home и сенсорной поверхности из жидкого металла.

Компания HTC тоже планирует использовать LiquidMetal при изготовлении корпусов смартфонов. Но эти данные являются неофициальными.

Зато компания Turing Robotics Industries (TRI) при создании уникального Android-смартфона Turing Phone использует для каркаса корпуса и рамки-окантовки дисплея сверхпрочный сплав из циркония, меди, алюминия, никеля и серебра, который в описаниях компонентов смартфона носит название liquidmorphium. Этот сплав значительно прочнее титана и эффективно выдерживает удары и особым образом отражает свет.

Трехмерная печать с применением жидкого металла

Специалисты Университета Северной Каролины подобрали такой сплав галлия и индия, который держит форму после печати. Тонкая пленка оксида удерживает напечатанную структуру из шариков и нитей, которая внутри остается жидкой. Используя технологию трехмерной печати, можно изготавливать эластичные гибкие провода, выдерживающие многократные растяжения и сжатия.

Ранее австралийские ученые для создания металлических объектов, которые должны восстанавливать форму, использовали сплав галлистан на основе галлия, олова и индия с температурой плавления 19 °С и специальное порошковое покрытие.

Краски “жидкий металл”

Краски с таким названием, строго говоря, жидким металлом не являются.

Жидкий металл – краска из металлических пигментов, тонкоизмельченных порошков цветных металлов и сплавов алюминия, меди, цинка, бронзы. К металлическим пигментам относятся золотистая бронза, медный порошок, алюминиевая и цинковая пудра. Такие краски отличаются хорошим сцеплением с любыми поверхностями: пластиками, металлами, тканями, стеклом, гипсом, керамикой, деревом. Равномерно распыляются соплом от 0,2 мм и закрепляются лаками на водной основе.

Краска “жидкий металл” марки Maimeri (“Маймери”) на основе смолы разбавляется спиртом и служит для декорирования тонких поверхностей – бумаги, картона, дерева. Характеризуется дополнительной устойчивостью к износу и окислению.

Жидкий металл Viva (“Вива”) разбавляется водой и предназначен для росписи фарфора, фаянса, керамики, гончарных изделий.

Специальная краска была разработана специалистами Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основе тончайших алюминиевых пигментов. Такое покрытие хорошо отражает свет и интенсивно блестит.

В заключение можно сделать вывод, что понятие «жидкий металл из мартена» не является всеобъемлющим. Что еще можно отнести к данной категории материалов? «Жидкий металл» – название такое носят также искусственные сплавы и вещества в аморфном состоянии, обладающие свойствами металлов, в том числе цветом и блеском.

Температура плавления металлов и сплавов с таблицей.

Каждый металл и их сплавы имеют различные свойства. Одно из таких свойств — температура плавления. Каждый металл плавится при разной температуре. Все что нужно для перевода вещества из твёрдого состояния в жидкое — источник тепла, который будет разогревать металл до определенной температуры.

Так как у каждого металла температура плавления различная, можно определить менее устойчивый металл к температуре и более. Так самый легкоплавкий металл — ртуть, он готов перейти в жидкое состоянии при температуре равно 39 градусов по цельсию. А вот вольфрам( из чего собственно и сделаны вольфрамовые электроды для аргоновой сварки), расплавится только по достижению температуры в 3422 градусов цельсии.

Что касается сплавов, таких как сталь и прочих, определить температуру, при которой те будут плавиться, довольно сложно. Вся сложность в их составе… Так как состав разный, то и температура плавления различная. Как правило, для сплавов указывается диапазон температур, при которых он будет плавиться. Вообще, температура плавления металлов интересная тема.

Способы плавления

Способов плавления два — внешний и внутренний. Каждый из способов по своему эффективен. Во время применений внешнего способа плавления, на металл или сплав воздействуют теплом с наружи, на пример в печи. А в случае с внутренним, через металл пропускается высокий разряд электрического тока или воздействуют электромагнитным полем.

На фото индукционный электромагнитный нагреватель металла для кузнечного дела.

Процесс плавления

Во время нагрева металла, в его кристаллической решетке начинается повышенное движение молекул. Они начинают двигаться с высокой(относительно) амплитудой, что увеличивает расстояние, между кристалами самой решетки. Образуются дефекты( пустота между атомами), что и является началом процесса плавления. Вот так происходить плавление металла при определенных температурах.

Группы металлов по температуре плавления

Все металлы можно разделить на три группы в связи с температурой их плавления. Ниже можно наблюдать список групп.

• Тугоплавкие (от 1600°C и выше)
• Среднеплавкие (от 600°C до 1600°C)
• Легкоплавкие (до 600°C)

Выше вы можете наблюдать три группы плавления металлов по необходимой температуре. Какие это металлы конкретно, вы сможете посмотреть в таблице.

Таблицы плавления металлов и сплавов

Ниже, представлены таблицы, для наглядного знакомства с температурами плавления тех или иных металлов и их сплавов.

Строение и свойства жидких металлов | 09.05.2012

Агрегатные состояния жидких металлов

Существует четыре основных состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное и плазма, из которых к литейным процессам следует отнести два первых.
В обычных условиях структура металла представляет собой кристаллическую решетку. Кристалл рассматривают как правильную совокупность атомов, которые не обязательно имеют одинаковую природу. Всякий атом занимает свое место, определяемое характером его геометрической взаимосвязи с кристаллической решеткой и характеризующее собой среднее положение центра этого атома (рисунок 1).

Рисунок 1 – Кристаллическая решетка железа

В действительности атом совершает тепловые колебания в пространстве между соседними атомами. При нагревании в определенный момент тепловые колебания становятся настолько сильными, что дальний порядок между атомами нарушается и металл переходит в жидкое состояние.
Жидкие металлы, как и другие жидкости, незначительно перегретые над точкой начала кристаллизации, гораздо ближе по структуре и свойствам к твердому телу, нежели к газам. На это указывает ряд факторов:

1. При плавлении термодинамические функции состояния вещества (изменение энтальпии Δ Н и изменение энтропии Δ S) изменяются на порядок меньше, чем соответствующие функции состояния при сублимации (непосредственный переход из твердого состояния в газообразное) или при испарении (переход из жидкого состояния в газообразное).
2. Физические свойства при плавлении металлов изменяются значительно меньше, чем при сублимации или испарении. Так, например, удельный объем большинства металлов увеличивается при плавлении на 5-10 %, в то же время при испарении он увеличивается в тысячи раз. Твердые металлы при температуре, близкой к температуре плавления, имеют некоторую текучесть, например, при их прокатке, а жидкости характерны сопротивляемость сдвигу (или срезу), но в обычных условиях она недостаточно заметна из-за высокой текучести. Газы практически не сопротивляются формоизменению. Такие свойства как магнитная проницаемость, электропроводность, теплопроводность и др., при плавлении металлов хотя и изменяются, но лишь на несколько процентов.
3. С помощью рентгеноструктурных исследований расплавленных легкоплавких металлов, перегретых над точкой ликвидуса лишь на несколько градусов, установлено, что частицы в жидкостях расположены не беспорядочно. Их расположение в жидкости близко к тому, которое характерно для твердого тела вблизи его плавления.

Строение жидких металлов

Современные теории жидкостей в какой-то мере объединяют две ранее существовавшие крайние точки зрения на природу жидкостей и учитывают те двойственные черты их поведения, которые вытекают из промежуточного положения жидкого агрегатного состояния вещества.
Металлофизики, например, Б.Чалмерс, считают, что жидкость представляет собой совокупность атомов и молекул, колеблющихся со средней энергией
3 kТ/ 2 (К постоянная Больцмана = 1,38 . 10 – 23 Дж/ град) и со средней частотой ν . Всякий атом входит в то или иное кристаллоподобное образование (кластер), которые ориентированы беспорядочно. Часть пространства между ними остается незаполненной атомами. Кластеры (рисунок 2) очень быстро возникают и тут же распадаются из-за перехода атомов от одного из них к другому через вакансии – промежуточные пустоты. Вероятность появления и число микрозародышей твердой фазы определяются законами статистической физики. В любой данный момент в жидкости существует значительный ближний порядок, когда всякий атом связан с каким-то другим и даже со многими другими соседями точно так же, как это бывает в кристалле.

Рисунок 2 – Кластер

В соответствии с теорией флуктуации в жидкости спонтанно возникают локальные отклонения от ее средней концентрации, энергии и плотности, число и вероятность которых диктуются законами статистической механики.
Для объяснения определенных свойств жидких расплавов используется теория Стюарта и Бенца, согласно которой в жидкостях непрерывно разрушаются и создаются группировки элементарных частиц, называемых роями или сиботаксисами. Эти группировки являются нестойкими образованиями и не имеют четких границ раздела.
Согласно кластерной модели Архарова и Новохатского расплав представляет собой сочетание кластеров и разупорядоченной зоны. Кластеры характеризуются определенной упорядоченностью строения центральной части и нестабильностью периферийных частей. При повышении температуры кластеры распадаются на более мелкие, при охлаждении металла укрупняются.
Основной смысл общепринятой в настоящее время теории Я.И. Френкеля состоит в том, что переход из твердого в жидкое состояние обусловлен скачкообразным увеличением количества вакансий. Это вызывает большую подвижность частиц и жидкости в целом, а также объясняет скачек растворимости многих веществ, при расплавлении растворителя. Необходимый избыток энергии обеспечивается флуктуациями. Вакансии (дырки) имеют размер порядка 10 –10 м. По Томпсону работа образования сферической полости в жидкости радиусом r равна:

Работа ΔZ соизмерима с теплотой испарения. Важен тот факт, что для превращения жидкости в кристаллическое состояние необходимо при температуре превращения отвести тепло, соответствующее скрытой теплоте плавления. При этом атомы переводятся в позиции с меньшей потенциальной энергией, чем в жидкости. Однако в обоих случаях каждый атом имеет минимальную свободную энергию, но в жидкости эти минимумы выше, чем в кристалле.
В большинстве случаев плотность расплава меньше, чем у кристалла. Кристаллы же германия, кремния, галлия и висмута менее плотные своих расплавов и упругие свойства обеспечиваются исключительно упорядочением атомов.
Есть и другие теории жидкого состояния, но ни одна из них не позволяет по параметрам элементарных частиц жидкости высчитать ее микроскопические свойства. Не дают они объяснения многим явлениям, которые наблюдаются в жидкости, например, возможности значительного переохлаждения.

Свойства жидких металлов

Сходство жидкого и кристаллического состояния заключается, главным образом, в характере межчастичного взаимодействия и в термодинамических свойствах, но существует принципиальное различие в строении жидких и твердых тел. Известная хаотичность в расположении частиц в жидкости и большая их подвижность, роднящие жидкость с газами, сочетаются с сильным межчастичным взаимодействием, как и в твердом теле. Этим сочетанием обусловлен комплекс свойств, характерный только для жидкого состояния вещества.

Плотность

По плотности металла судят о разрыхленности его структуры. Плотность – одна из основных физических характеристик расплава, непосредственно связанная с поверхностным натяжением, теплоемкостью, динамической вязкостью, теплотами растворения и др. Жидкая фаза имеет лишь немного меньшую плотность, чем твердое вещество, но она на несколько порядков выше плотности газа. Самый легкий металл литий имеет плотность 0,53 г/см 3 , а самый тяжелый иридий плотностью 22,4 г/см 3 . Плотность железа 7,87 г/см 3 . У большинства металлов при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления плотность уменьшается на 3-5 %, у железа она снижается до 7,35 г/см 3 . В процессе плавления плотность большинства металлов снижается на несколько %, у железа – до 7,02 г/см 3 . А плотность галлия, висмута, сурьмы, германия и кремния при плавлении увеличивается, как у воды, для которой это увеличение составляет около 11 %.
При нагреве жидких металлов, как и в твердом состоянии, плотность уменьшается. С достаточной для практики точностью используется соотношение:

Подбором состава сплавов обеспечивают заданную его плотность и коэффициент линейного расширения. Это важно, например, для армированных (выполненных из разнородных материалов) изделий, служащих при изменяющихся в широких пределах температурах
Практическое значение изменения плотности металла до начала и в процессе кристаллизации состоит в том, что оно предопределяет объемную усадку (или рост), с которой связаны усадочные раковины, рыхлость, напряжения в наружных и внутренних участках слитков, заготовок и отливок (рисунок 3).

Рисунок 3 – Усадочная раковина в слитке

Температура плавления

Температура плавления – это единственная температура, при которой кристаллическая твердая фаза сосуществует в равновесии с жидкостью. Для чистого элемента или чистого соединения эта величина постоянная и лишь незначительно зависит от давления.
Обычно разливаемый металл перегревается выше температуры плавления на 100 и более градусов. Исходя из этой температуры, выбирается материал литейной формы и футеровки разливочных ковшей. Из часто используемых металлов ртуть имеет самую низкую температуру плавления – минус 39 0 С, а самая высокая она у вольфрама – 3410 0 С. Чистое железо плавится при 1539 0 С, медь – при 1083 0 С, алюминий – при 660 0 С. Титановые сплавы 1580-1720 0 С.

Сталь 1420-1520 0 С
Чугун 1150-1250 0 С
Бронзы 1000-1150 0 С
Латуни 900- 950 0 С
Алюминиевые сплавы 580- 630 0 С
Магниевые сплавы 600- 650 0 С
Цинковые сплавы 390- 420 0 С

Так как фазовые превращения сопровождаются тепловыми эффектами, объемными изменениям и фазовыми напряжениями, то их учитывают, задавая оптимальные режимы охлаждения слитков, заготовок и отливок, а также при рассмотрении процессов структурообразования и ликвации.

Вязкость

Вязкость металлического расплава является наиболее характерным структурно-чувствительным свойством и определяется межчастичным взаимодействием. Поэтому этот показатель позволяет оценить строение расплава, природу и силы взаимодействия между компонентами в сплавах, а также связь между твердым и жидким состоянием.
Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости или внутреннего трения ?, называемый динамической вязкостью. Он численно равен силе трения между двумя слоями с площадью, равной единице при градиенте скорости, равной единице.
У металлов динамическая вязкость повышается с увеличением температуры их плавления. Для всех металлов она уменьшается с повышением температуры нагрева. У сплавов эвтектического состава обычно пониженные значения вязкости. Изменение вязкости от состава сплавов меняется неоднозначно, сложным образом и зависит от сил межчастичного взаимодействия. Загрязнение расплавов взвешенными частицами шлака или оксидов сопровождается заметным возрастанием вязкости.

Сравнительные данные вязкости (Па . с):

Вода (25 0 С) – 0,00089;
Сталь (1600 0 С) – 0,0050 – 0,0085;
Железо (1600 0 С) – 0,0045 – 0,0050.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение численно равно количеству свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела между рассматриваемым веществом и вакуумом. Поверхностное натяжение стали обуславливает смачиваемость и адгезию, влияет на характер струи и степень вторичного окисления металла во время выпуска из плавильного агрегата и разливки. В период кристаллизации поверхностные явления влияют на поверхностные и объемные концентрации компонентов, существенно изменяют структурообразование, кинетику капиллярного массопереноса, зарождения, коагуляции и всплывания неметаллических включений. Межфазное натяжение на границе металл-шлак в значительной степени определяет ассимиляцию неметаллических включений, образующихся при раскислении, обработке металла синтетическими шлаками и разливке под защитными средами.
С увеличением температуры плавления металла поверхностное натяжение, как правило, увеличивается. Так, для ртути, железа и вольфрама оно соответственно равно, Н/ м: 0,45; 1,8 и 2,5. Перегрев жидкого металла на 100 0 С понижает поверхностное натяжение примерно на 2-4 % .
Поверхностно активные добавки, которые в металле – основе растворяются в очень малых количествах и резко отличаются от основы по своим свойствам, существенно снижают поверхностное натяжение расплавов. Так, 0,1 % кислорода снижает поверхностное натяжение железа до 1,1 Н / м, 0,1 % калия снижает поверхностное натяжение ртути в 2 раза.

Литейные свойства

Свойства, непосредственно влияющие на получение слитков и отливок требуемого качества, называются литейными. Они зависят от комплекса физико-химических свойств, проявляющихся в образующихся фазах при охлаждении расплава, но полностью ими не определяются. К литейным свойствам относят жидкотекучесть и заполняемость литейных форм, усадку и связанные с ней процессы образования различных дефектов, склонность к образованию дефектов на базе неметаллических и газовых включений, активность взаимодействия с окружающей средой и контактирующими материалами, первичную и вторичную кристаллизацию, литейные напряжения и трещиноустойчивость, химическую и структурную неоднородность. Лучшим сочетанием литейных свойств обладают сплавы с большим количеством эвтектики. Литейные свойства чугуна значительно выше литейных свойств стали.

“Жидкий металл” как термоинтерфейс

на страницах сайта

www.electrosad.ru

“Жидкий металл” интересный и перспективный материал для термоинтерфейсов. Но часто его применение не дает желаемого эффекта при практическом применении. И даже при тестировании в лабораторных условиях специалистами.
В чем дело?
Здесь попробуем разобраться, что такое жидкий металл от Coollaboratory и как его применять.

Сначала о жидких металлах

Говоря о жидких металлах мы имеем в виду что это металлы находящиеся в жидком состоянии при привычных нам температурах (18 – 25°С). Если не считать ртуть, то обычно жидкие металлы это сплавы.

Таких сплавов много.

Ниже приведены характеристики легкоплавких сплавов, температура плавления которых ниже 70°С. Это часть таблицы приведенной в Википедии.

Цитата из Википедии.

Легкоплавкие сплавы — это, как правило, эвтектические металлические сплавы, имеющие низкую температуру плавления, не превышающую температуру плавления олова. Для получения легкоплавких сплавов используются:
свинец, висмут, олово, кадмий, таллий, ртуть, индий, галлий и иногда цинк.

Сплавы содержащие ртуть имеют другое название – амальгама.

За нижний предел температуры плавления всех известных легкоплавких сплавов принимается температура плавления амальгамы таллия (−61 °C), за верхний предел взята температура плавления чистого олова.

Сплавы щелочных металлов также способны к образованию легкоплавких эвтектик и могут быть отнесены к группе легкоплавких сплавов. Так сплавы системы натрий-калий-цезий имеют рекордно низкую температуру плавления: Советский сплав плавится при −78 °C. Однако, применение этих сплавов затруднено из-за их высокой химической активности.

Не будем рассматривать сплавы имеющие температуру плавления выше 70°С, а выше 40°С рассмотри только для знакомства с их свойствами.

Легкоплавкие сплавы применяемые в современной мировой промышленности:

• Т — теплоноситель
• П — припой
• М — модельный литейный сплав
• Ж — для датчиков пожарной сигнализации

Если из таблицы выбрать только химически не активные и не токсичные сплавы с температурой плавления более 41°С, то остаются:

* Расчет, в соответствии с принципом аддитивности.

Это совсем немного, но это действительно жидкий металл.

Галлий – металл, подобно алюминию образует на поверхности окисную пленку, защищающую его от дальнейшего окисления.

Галлий реагирует с горячей водой, с перегретым паром, с минеральными кислотами, галогенами, щелочами и карбонатами калия и натрия ( это ограничивает его применение ) .

Галлий при контакте с кожей оставляет на ней серый след, для человека опасен в больших концентрациях. Ингаляционное воздействие галлий – содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает поражение почек , равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Опасен галлий и его соли.

Не путать с Таллием , который является высоко токсичным веществом!

Опасности и каких то особых правил при использования Индия не отмечено.

Галлий – индиевые сплавы не токсичны, но при работе с ним следует соблюдать осторожность. Работать в хлопчатобумажных или резиновых перчатках.

Этого требует и работа с обезжиренными и очищенными поверхностями, которыми являются подошва кулера и крышка процессора.

Теперь о “жидком металле”

Несколько слов в качестве вступления.

Разных рецептур “Жидких металлов” может быть много больше чем приведенных в таб.2.

Изменение содержания компонентов на несколько процентов не меняет существенно физические свойства сплава. Но введение нового компонента может существенно изменить его химическую активность и токсические свойства.

Поэтому состав “Жидкого металла” (можно даже без указания долевых соотношений) не является предметом коммерческой тайны производителя, но позволит принять меры безопасности при его применении. Т.е. компоненты входящие в сплав должны быть указаны на упаковке. В случае их отсутствие Вы можете получить химическое отравление!

Жидкий металл – Coollaboratory Liquid Pro и другие

Coollaboratory Liquid Pro, особенно рекомендуют для никелированной меди.

Coollaboratory Liquid Pro не содержит неметаллических добавок (как силикон, окиси и т.д.). Он также не содержит твердых частиц. Из-за этих свойств, Coollaboratory Liquid Pro многократно превосходит лучшие высокоэффективные теплопроводящие пасты.

Ни слова о теплопроводности, компонентах и других характеристиках Coollaboratory Liquid Pro.

После подавляющего успеха Liquid Pro был создан новый состав Coollaboratory Liquid Ultra . Liquid Ultra также содержит 100% металла, но имеет выдающиеся характеристики и простоту и удобство использования. Из-за структуры подобной пасте ее применение теперь облегчено. Coollaboratory Liquid Ultra была оптимизирована для наивысших характеристик и оптимального удобства и простоты использования. Тепловой состав состоит к 100 % металла, но может быть легко нанесен кисточкой. Процессор (теплораспределительная крышка) должен быть очищен полностью, перед применением Liquid Ultra, чтобы устранить грязь, старый теплопроводящий состав или жир.

В зависимости от размера теплопроводящей поверхности соответствующее количество Liquid Ultra должны быть нанесены на ее центр. Liquid Ultra должна наноситься медленно и без давления на Heatspreader. Чем при меньших усилиях растекается Liquid Ultra, тем лучше он работает. У Liquid Ultra вязкая форма, посредством чего нанесение идет очень быстро. Пожалуйста, обратите внимание, чтобы покрыть также края Heatspreaders. Поэтому всегда используйте ту же самую сторону щетки. Обычно нет необходимости применить большого количества Liquid Ultra для процессора.

И опять ни слова о теплопроводности, компонентах и других характеристиках Coollaboratory Liquid Ultra.

Новшество в охлаждении процессоров для PC систем Высокого уровня и игровых консолей с помощью прокладки с высокой теплопроводностью!

Coollaboratory Liquid MetalPad первая прокладка с высокой теплопроводностью, которая содержит 100% металла и плавится только при нагреве процессора, это дает превосходную теплопроводность. Это снижает температуру быстро и эффективно и не должно скрыться от лучшей пасты проводимости высокой температуры. Простая, чистая и быстрая установка превращает Liquid MetalPad лучшую теплопроводящую среду PC HighEnd и игровых консолей.

Liquid MetalPad может использоваться со всеми применяемыми для охлаждающемся материалы, например алюминий или медь! Он не теряет свойств со временем его нет необходимости регулярно менять. Coollaboratory Liquid MetalPad соответствует требованиям RoHS и абсолютный нетоксичный.

Coollaboratory Liquid MetalPad поставлена в прозрачной блистерной упаковке и содержится в зависимости от назначения несколько Liquid MetalPad .

Coollaboratory Liquid MetalPad может применяться для центрального процессора (приблизительно 38×38 мм), GPU’s (приблизительно 20×20 мм) и игровых консолей (приблизительно 42×42 мм). Дополнительно есть подробное печатное руководство по применению и соответствующий набор для очистки области контакта и удаления перед и после использования Liquid MetalPad .

И опять ни слова о теплопроводности, компонентах и других характеристиках Coollaboratory Liquid MetalPad.

Применение всех Coollaboratory Liquid не допускается при непосредственном контакте с алюминиевыми деталями!

Рекомендованный материал кулера медь, лучше – если она покрыта никелем.

Для примера в табл.3 приведены характеристики термоинтерфейсов обычно сравниваемых при тестировании Liquid Pro. Обратите внимание на отсутствие данных о рабочих температурах и составе для Liquid Pro. Следует обратить внимание и на величину теплопроводности которую мы обсудим позже.

Как Вы видите для КПТ-8 и Arctic Silver 5 указан используемый наполнитель, что позволяет грамотно их использовать, не боясь отравления и нежелательных химических реакций с контактирующими поверхностями и средствами для очистки. Причем это указания состава не раскрывает технологических секретов производителя, поскольку на характеристики термоинтерфейса существенное влияние оказывает множество других параметров. Например: размеры частиц, состав связующего вещества и применяемые пропорции. Думаю есть еще достаточно много тонкостей, не позволяющих украсть технологию производства составов.

К сайту обращаться бесполезно, там только самые общие слова, непонятно откуда появились в таб.4 и в Интернете данные о величине теплопроводности – 82 Вт/м*К

Внешний вид образцов Liquid Pro, которые я видел,

существенно отличается. В одном случае это была капля металла, а в другом достаточно вязкий комочек. это говорит о разном составе термоинтерфейса.

Кроме того я обнаружил в одном из форумов жалобу на повышение температуры плавления через некоторое время после эксплуатации. Что привело к подпаиванию основания кулера к теплораспределительной крышке процессора у автора сообщения. Последнее можно объяснить только содержанием в примененном сплаве Liquid Pro ртути для снижения температуры плавления. Ртуть [Hg] достаточно активно испаряется при повышенных температурах, в результате чего температура плавления сплава ее содержащего увеличивается.

Возможно повышение температуры плавления при растворение “жидким металлом” припоя покрывающего тепло распределительную крышку процессора. Но только в случае если масса припоя соизмерима с массой “жидкого металла”. А это в принципе не должно быть при качественном покрытии и может быть только при нарушениях технологии производства процессоров.

Теплопроводность сплавов представляемых как Liquid Pro тоже существенно зависит от его состава.

Не совсем понятно откуда взялась теплопроводность указанная на некоторых сайтах Интернет. Ее величина указывается как 82 Вт/м*К, а это теплопроводность Индия [ см. таб. 4 ] .