液態(tài)金屬是一種在常溫或輕微加熱下仍能保持液態(tài)的金屬或合金材料，具有低熔點、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特性。這種材料廣泛應(yīng)用于手機制造、柔性電子和能源領(lǐng)域，但在化學(xué)穩(wěn)定性、加工工藝和成本控制方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。目前，液態(tài)金屬市場持續(xù)增長，全球市場規(guī)模預(yù)計到2032年將達到58億美元，年復(fù)合增長率為13.5%。中國市場發(fā)展尤為迅速，2023年市場規(guī)模已達約120億元人民幣，預(yù)計到2025年將增長至180億元人民幣，主要生產(chǎn)商包括宜安科技、安泰科技和北京夢之墨科技等企業(yè)。
一、低熔點、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性
液態(tài)金屬是一種低熔點、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的金屬或合金，其原子排列近程有序，具有優(yōu)異流動性和可塑性，適用于精密鑄造和3D打印。液態(tài)金屬的高強度和高硬度使其在熱管理方面表現(xiàn)突出，能有效散熱高集成度電子器件。
1. 液態(tài)金屬的概念。液態(tài)金屬是一種在常溫或輕微加熱下仍保持液態(tài)的金屬或合金材料，具有低熔點、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特性。其原子或離子的排列呈現(xiàn)近程有序，即局部區(qū)域內(nèi)的原子形成小集團排列，但整體上缺乏長程有序性。這一結(jié)構(gòu)賦予液態(tài)金屬優(yōu)異的流動性和可塑性，使其能夠在復(fù)雜形狀的空間中流動，廣泛應(yīng)用于手機制造、柔性電子等領(lǐng)域。
2. 液態(tài)金屬的特性。液態(tài)金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、流動性和可塑性等特性。其獨特的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)使其在力學(xué)性能上表現(xiàn)出高強度和高硬度，同時具備良好的尺寸精度和穩(wěn)定性。由于低熔點和高流動性，液態(tài)金屬能夠通過注塑、壓鑄等工藝實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“凈成形”，省去了大量后加工步驟。此外，液態(tài)金屬在熱管理方面表現(xiàn)出色，其導(dǎo)熱系數(shù)遠高于傳統(tǒng)冷卻劑，能夠有效解決高集成度電子器件的散熱問題。
3. 液態(tài)金屬的分類。液態(tài)金屬可以從多個角度進行分類。首先，根據(jù)熔點的不同，液態(tài)金屬可以分為常溫液態(tài)金屬和高熔點液態(tài)金屬。常溫液態(tài)金屬主要包括汞、鎵、鉍等純金屬及其合金，如鎵基合金和鉍基合金。高熔點液態(tài)金屬則需要在較高溫度下才能呈液態(tài)，通常用于冶金和高溫應(yīng)用。其次，從化學(xué)性質(zhì)來看，液態(tài)金屬可以分為低毒性和高毒性兩類，低毒性如鎵基合金，而高毒性如汞。最后，液態(tài)金屬還可以根據(jù)其功能特性進行分類，如用于結(jié)構(gòu)材料的液態(tài)金屬合金，具有高強度和高硬度，適用于制造精密部件；磁性液態(tài)金屬則用于提高變壓器和感應(yīng)線圈的轉(zhuǎn)換效率。
液態(tài)金屬在手機制造中用于鉸鏈等精密部件，提升耐用性和美觀性；在柔性電子領(lǐng)域，其流動性和導(dǎo)電性使其成為制造復(fù)雜電路的理想材料，推動可穿戴設(shè)備發(fā)展；在能源領(lǐng)域，液態(tài)金屬的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性助力太陽能發(fā)電效率提升和新型儲能技術(shù)開發(fā)，如液態(tài)金屬電池。
1. 手機制造領(lǐng)域。液態(tài)金屬因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高強度和良好的成型性，成為手機制造中的重要材料。液態(tài)金屬主要被用于制造手機鉸鏈、卡托、中框等精密結(jié)構(gòu)件，其高強度和抗疲勞性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料。例如，蘋果公司在其iPhone系列產(chǎn)品中采用了液態(tài)金屬制造的SIM卡針和鉸鏈，以提高設(shè)備的耐用性和美觀性。華為Mate系列、vivo X Fold+、榮耀Magic V等折疊屏手機的鉸鏈也采用了液態(tài)金屬，利用其高強度和良好成型性來滿足鉸鏈結(jié)構(gòu)件對厚度、強度和精度的要求。未來，隨著液態(tài)金屬大塊成型工藝的進一步成熟和成本的降低，其在手機中框、內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等方面的應(yīng)用有望實現(xiàn)規(guī)模化。
2. 柔性電子領(lǐng)域。液態(tài)金屬因其獨特的流動性和高導(dǎo)電性，已成為柔性電子器件制造的理想材料之一。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國科學(xué)院的研究人員使用液態(tài)鎵-銦合金制造了具有3D電路的柔性電子產(chǎn)品，展示了其在復(fù)雜電路構(gòu)建中的優(yōu)勢。此外，液態(tài)金屬還被用于開發(fā)可拉伸的柔性電路，這些電路能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的形狀和動態(tài)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和智能衣物中。未來，液態(tài)金屬在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步深化，特別是在自修復(fù)電路和柔性傳感器等方面，其自我修復(fù)能力和多刺激響應(yīng)特性將推動新一代柔性電子產(chǎn)品的開發(fā)。
3. 能源領(lǐng)域。液態(tài)金屬因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、良好的流動性和自愈合能力，在能源轉(zhuǎn)換和儲能技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。在太陽能發(fā)電方面，液態(tài)金屬被用于制造太陽能電池板和熱管等設(shè)備，通過其優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能，能夠有效提高光電轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，液態(tài)金屬電池因其高能量密度和長循環(huán)壽命，成為新一代儲能技術(shù)的研究熱點，如美國的Ambri公司開發(fā)的液態(tài)金屬電池，采用液態(tài)金屬和無機熔鹽作為電極和電解質(zhì)，具有壽命長、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)勢，是規(guī)模儲能應(yīng)用的理想選擇。
二、面臨工藝和成本挑戰(zhàn)
液態(tài)金屬在應(yīng)用中面臨化學(xué)穩(wěn)定性、加工工藝和成本三大挑戰(zhàn)。化學(xué)穩(wěn)定性方面，液態(tài)金屬易與空氣、高溫或強酸堿環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致性能下降，需額外保護措施。加工工藝上，其非晶合金特性對設(shè)備和工藝要求高。成本方面，原材料成本較高，制備工藝復(fù)雜以及設(shè)備要求特殊，限制了其廣泛應(yīng)用。
1. 化學(xué)穩(wěn)定性問題。液態(tài)金屬的化學(xué)穩(wěn)定性問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，液態(tài)金屬在與空氣接觸時容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化層，這不僅降低了其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，還可能導(dǎo)致其在電子器件中的失效。例如，在柔性電子器件中，液態(tài)金屬作為導(dǎo)體，其氧化會導(dǎo)致電路的中斷，從而影響設(shè)備的正常工作。其次，液態(tài)金屬在高溫或強酸堿環(huán)境下也容易發(fā)生腐蝕反應(yīng)，限制了其在高溫或腐蝕性環(huán)境中的應(yīng)用。液態(tài)金屬電池在高溫運行時，其內(nèi)部的液態(tài)金屬容易與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池性能下降。這種化學(xué)穩(wěn)定性問題使得液態(tài)金屬在實際應(yīng)用中需要進行額外的保護措施，增加了成本和復(fù)雜性。
2. 加工工藝的挑戰(zhàn)。液態(tài)金屬作為一種具有獨特物理特性的新型材料，其加工工藝面臨著諸多挑戰(zhàn)和困難。液態(tài)金屬的非晶合金特性使其難以采用傳統(tǒng)的鍛壓或焊接工藝進行加工。這種材料需要在極快的冷卻速率下將其液態(tài)結(jié)構(gòu)凍結(jié)成固態(tài)，以保持其優(yōu)異的物理性能。然而，這一過程對設(shè)備和工藝參數(shù)的要求極高，稍有不慎就可能導(dǎo)致材料性能的下降。其次，液態(tài)金屬的加工過程中容易出現(xiàn)泄漏、飛濺等問題，這不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，還可能對操作環(huán)境和人員安全造成威脅。液態(tài)金屬的粘度控制也是一個難題，過高的粘度會限制其流動性和可塑性，從而影響最終產(chǎn)品的形狀和性能。
3. 成本問題。液態(tài)金屬面臨的成本問題成為其廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。從原材料成本來看，液態(tài)金屬通常由鎵、銦、錫等金屬組成，這些金屬的市場價格相對較高，且價格波動較大，直接影響液態(tài)金屬的成本。例如，2024年鎵的價格在國際市場上的主流成交價格集中在每千克500-600美元。這種原材料價格的高企使得液態(tài)金屬的生產(chǎn)成本居高不下，難以在價格敏感的市場中獲得競爭優(yōu)勢。在生產(chǎn)成本方面，液態(tài)金屬的制備工藝復(fù)雜，需要精確控制溫度、壓力等參數(shù)，以確保其非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的形成。此外，液態(tài)金屬在生產(chǎn)過程中對設(shè)備的要求較高，需要使用高精度的鑄造設(shè)備和冷卻系統(tǒng)，這些設(shè)備的投資成本較大，且維護費用也較高。
液態(tài)金屬在可編程、變形記憶和綠色環(huán)保方面展現(xiàn)出重要的創(chuàng)新發(fā)展趨勢。可編程方面，液態(tài)金屬通過外部刺激實現(xiàn)形狀和功能的動態(tài)變化。變形記憶方面，液態(tài)金屬通過與彈性體復(fù)合，實現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。在環(huán)保方面，液態(tài)金屬在電子廢棄物處理和降低能耗方面具有重要作用。
1. 可編程。隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的進步，液態(tài)金屬的可編程技術(shù)正不斷突破創(chuàng)新。通過外部刺激（如電場、磁場等），液態(tài)金屬能夠?qū)崿F(xiàn)形狀和功能的動態(tài)變化，為智能材料領(lǐng)域開辟了廣闊的應(yīng)用前景。此外，液態(tài)金屬在3D打印中的應(yīng)用為其可編程性提供了新機遇。利用3D打印技術(shù)，液態(tài)金屬可以被精確打印成復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多功能集成。例如，北京夢之墨科技有限公司開發(fā)的液態(tài)金屬電子手寫筆和3D筆，通過編程控制液態(tài)金屬的流動和固化，能夠快速制造和修復(fù)電子電路。未來，液態(tài)金屬的可編程性將進一步提升，推動其在智能機器人、可重構(gòu)電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。
2. 變形記憶。液態(tài)金屬獨特的物理化學(xué)性質(zhì)使其在變形記憶材料領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，液態(tài)金屬的變形記憶功能主要通過與彈性體等材料的復(fù)合來實現(xiàn)，例如一種基于液態(tài)金屬的形變記憶復(fù)合材料，能夠在電/光/熱刺激下表現(xiàn)出良好的形狀記憶效應(yīng)，實現(xiàn)彎曲和水平形狀之間的可逆變化。這種復(fù)合材料的制備方法多樣，包括將液態(tài)金屬與聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物混合，利用液態(tài)金屬的高表面張力和流動性，以及聚合物的彈性，實現(xiàn)材料的形狀記憶功能。此外，液態(tài)金屬的變形記憶功能還體現(xiàn)在其獨特的變形行為上，如在電場作用下，液態(tài)金屬可以實現(xiàn)大尺度變形、自旋、定向運動等。
3. 綠色環(huán)保。液態(tài)金屬未來將更加注重綠色制造、資源循環(huán)利用以及在環(huán)保領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。首先，液態(tài)金屬將逐漸采用無毒副作用的原料和改進的生產(chǎn)工藝，確保生產(chǎn)過程中的廢棄物得到有效處理，降低對環(huán)境的污染。其次，液態(tài)金屬的可回收性使其在電子廢棄物處理和資源回收方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。此外，液態(tài)金屬催化劑能夠在室溫下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固體碳，為碳捕獲和利用提供了一種實用方法。同時，液態(tài)金屬熱界面材料和液態(tài)金屬低溫焊料等產(chǎn)品在提高設(shè)備性能和降低能耗方面也具有重要作用。例如，云南科威液態(tài)金屬谷研發(fā)有限公司推出的液態(tài)金屬低溫環(huán)保焊料，其熔點低于130℃，與銅、鎳基材潤濕性良好，具有較好的延展性和耐熱疲勞性，釬焊溫度低，無毒環(huán)保，焊接過程對電子元器件無損傷，焊點飽滿、牢固。
三、全球市場呈現(xiàn)多元化、分散化
全球液態(tài)金屬市場近年來穩(wěn)步增長，2023年市場規(guī)模約為25億美元，預(yù)計到2032年將達到58億美元，年復(fù)合增長率為13.5%。市場競爭格局多元化且分散化，主要生產(chǎn)商包括Liquidmetal、Merck、宜安科技等，市場集中度較低。
1. 全球市場規(guī)模。全球液態(tài)金屬市場呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，主要得益于其在汽車、手機、消費電子等多個終端行業(yè)的廣泛應(yīng)用推動。據(jù)Dataintelo數(shù)據(jù)，全球液態(tài)金屬市場規(guī)模預(yù)計到2032年將達到58億美元，年復(fù)合增長率為13.5%。
2. 全球競爭格局。全球液態(tài)金屬市場競爭格局呈現(xiàn)出多元化和分散化的特征，市場集中度相對較低，沒有一家企業(yè)占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，導(dǎo)致市場份額分布較為均勻。全球主要的液態(tài)金屬生產(chǎn)商包括Liquidmetal、Merck、宜安科技、安泰科技、北京夢之墨科技等。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，液態(tài)金屬產(chǎn)品種類豐富，涵蓋導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片、柔性智能裝備等多種類型，其中導(dǎo)熱膏在2022年占據(jù)了最大的市場份額。
中國液態(tài)金屬市場近年來發(fā)展迅速，2023年市場規(guī)模達到約120億元人民幣，同比增長15%，預(yù)計到2025年將增長至180億元人民幣。市場競爭格局多元化且分散化，主要參與者包括北京液態(tài)金屬科技有限公司、深圳金石新材料科技有限公司等。
1. 中國市場規(guī)模。中國液態(tài)金屬市場近年來發(fā)展迅速，根據(jù)博研咨詢的數(shù)據(jù)， 2023年中國液態(tài)金屬材料市場規(guī)模達到約120億元人民幣，同比增長15%。預(yù)計到2025年，中國液態(tài)金屬材料市場規(guī)模將達到180億元人民幣。
2. 政策支持。國家層面高度重視液態(tài)金屬的研究與應(yīng)用：政府對液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)的支持政策始于“十三五”規(guī)劃，當(dāng)時將液態(tài)金屬納入新材料領(lǐng)域，明確了其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的地位。2017年1月，液態(tài)金屬被列入《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》；2017年6月，液態(tài)金屬被列入《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》；2023年8月，液態(tài)金屬被列入《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》。
四、國內(nèi)外巔峰對決
Hitachi Metals、 Liquidmetal Technologies和American Elements是液態(tài)金屬行業(yè)的全球領(lǐng)軍企業(yè)。Hitachi Metals專注于開發(fā)高性能的液態(tài)金屬合金，其產(chǎn)品應(yīng)用廣泛。Liquidmetal Technologies的非晶合金材料具有高強度、高硬度、優(yōu)異的抗腐蝕性能等特性。American Elements則可以提供高純度鎵基液態(tài)金屬合金。
1. Hitachi Metals（日本）。日立金屬（Hitachi Metals）成立于1951年，總部位于日本，是全球領(lǐng)先的合金材料供應(yīng)商。在液態(tài)金屬方面，日立金屬專注于開發(fā)高性能的液態(tài)金屬合金，其合金產(chǎn)品具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和機械性能，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、航空航天等多個領(lǐng)域。日立金屬在液態(tài)金屬方面的核心產(chǎn)品為用于熱界面材料的高導(dǎo)熱合金，該產(chǎn)品能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，有效提高電子設(shè)備的散熱效率。此外，日立金屬還開發(fā)了一系列用于汽車制造的液態(tài)金屬材料，這些材料不僅具有高強度和耐腐蝕性，還能顯著降低汽車部件的重量，從而提高燃油效率。2024年，日立金屬（Hitachi Metals）的營收為81億美元。
2. Liquidmetal Technologies（美國）。Liquidmetal Technologies, Inc.（LQMT）是一家位于美國加利福尼亞州的材料技術(shù)公司，成立于1987年，專注于液態(tài)金屬（又稱非晶合金）的研發(fā)和商業(yè)化。該公司在液態(tài)金屬領(lǐng)域擁有全球領(lǐng)先的技術(shù)，其獨特的非晶合金材料具有高強度、高硬度、優(yōu)異的抗腐蝕性能和出色的表面光潔度。LQMT的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，包括醫(yī)療、工業(yè)、消費電子等。其醫(yī)療級非晶合金成型產(chǎn)品在醫(yī)療器械領(lǐng)域表現(xiàn)出色，如手術(shù)工具和植入物等，因其優(yōu)異的生物相容性和耐用性而受到市場的青睞。此外，LQMT還為消費電子產(chǎn)品提供非晶態(tài)合金部件，曾與蘋果公司合作，為其提供用于手機等設(shè)備的外殼和零部件。Liquidmetal Technologies在2024年的營收為102萬美元。
3. American Elements（美國）。American Elements是一家總部位于美國的先進材料供應(yīng)商，專注于開發(fā)和生產(chǎn)高純度金屬、合金、化合物和納米材料等。該公司的液態(tài)金屬產(chǎn)品主要為基于鎵的合金，如高純度鎵（8N）和鎵基合金，這些產(chǎn)品具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機械性能，并且能夠在室溫下保持液態(tài)，具有獨特的電磁特性和表面活性，適用于制造柔性電子設(shè)備和傳感器。此外，American Elements還提供液態(tài)金屬復(fù)合材料，這些材料結(jié)合了金屬和非金屬的優(yōu)點，能夠提供更高的強度和耐腐蝕性。2024年，American Elements的營業(yè)收入為1,700萬美元。
宜安科技、安泰科技和北京夢之墨科技是中國液態(tài)金屬行業(yè)的高新技術(shù)企業(yè)。宜安科技的液態(tài)金屬產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費電子、新能源汽車等領(lǐng)域。安泰科技專注于非晶/納米晶材料的研發(fā)，同時拓展液態(tài)金屬在柔性電子產(chǎn)品的應(yīng)用。北京夢之墨科技依托中科院和清華大學(xué)的技術(shù)力量，掌握了液態(tài)金屬電子增材制造技術(shù)。
1. 宜安科技。宜安科技專注于液態(tài)金屬材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具備從材料成分設(shè)計、熔煉、精密模具制造到精密機加工的全制程能力，在液態(tài)金屬領(lǐng)域擁有全球最大的生產(chǎn)線。宜安科技的液態(tài)金屬產(chǎn)品以其高強度、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)異性能著稱，且產(chǎn)品涵蓋消費電子結(jié)構(gòu)件、新能源汽車零部件、醫(yī)療器械結(jié)構(gòu)件和音樂及體育器材結(jié)構(gòu)件四大板塊。例如，宜安科技推出的用于消費電子的Face ID支架等產(chǎn)品，已向小米、OPPO等國內(nèi)知名手機廠商批量供貨。2023年，宜安科技整體實現(xiàn)營業(yè)收入17億元，同比增長5.63%。
2. 安泰科技。安泰科技股份有限公司在非晶/納米晶帶材及制品、難熔材料及制品等領(lǐng)域，為全球高端客戶提供先進金屬材料、制品及解決方案，是國家科技部及中科院聯(lián)合認定的國家高新技術(shù)企業(yè)。安泰科技通過先進的制備工藝，如水氣霧化、真空氣霧化等，成功制備出具有高強韌性、優(yōu)良導(dǎo)磁性和低磁損耗的非晶帶材及納米晶材料，并廣泛應(yīng)用于高頻低損耗變壓器、移動終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域。此外，安泰科技還積極拓展液態(tài)金屬在柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，通過構(gòu)建微米玻璃球陣列支撐的液態(tài)金屬柔性密封復(fù)合材料，解決了傳統(tǒng)封裝材料無法同步兼顧可拉伸和高氣密性的難題。
3. 北京夢之墨科技。北京夢之墨科技有限公司是一家依托中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所和清華大學(xué)等強大技術(shù)力量建立的高科技企業(yè)，專注于液態(tài)金屬電子增材制造技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。夢之墨由液態(tài)金屬領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物劉靜教授創(chuàng)立，掌握國際首創(chuàng)的液態(tài)金屬電子增材制造技術(shù)，能夠通過液態(tài)金屬電子墨水在數(shù)秒內(nèi)“印刷”出可彎折、可拉伸的高精度電子電路及終端功能器件。這一技術(shù)不僅大幅降低了電子電路生產(chǎn)的門檻，還簡化了傳統(tǒng)FPC行業(yè)的工藝流程，具有成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。此外，夢之墨還推出了液態(tài)金屬的秒級印刷電路制作工藝，進一步提高了電路的打印速度和精度。
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