利用過冷液態金屬粒子實現冷焊

2021-02-15 材料人


材料牛註：有人戲稱搞科研就是「砸錢」，節約絲毫與之不搭邊。不過愛荷華州立大學研究學者節儉創新與科學相結合，研究出一項冷釺焊技術。

愛荷華州立大學材料科學與工程學院的助教，兼艾姆斯能源實驗室的研究員Martin Thuo一直想要尋找一種經濟且清潔的新方法把科學與技術運用到實際之中。「怎樣充分地應用高水平科學與技術？怎麼用最少資源、最大化地解決問題？」這也是他實驗室的一直追求節儉創新的目標。為此，他們研發出一種奇特的液態金屬微型粒子，在室溫下即可相互融合。這種新型液固混合形式有望應用於無熱焊接及電路修復上。

該項目最開始是為了找尋一種方法阻礙液態金屬凝固（甚至在低於金屬熔點的情況下）。這方法就是過冷度，現已被廣泛應用於深入研究金屬結構和金屬加工。但是，現在面臨的一個難題是如何產生大量穩定的過冷金屬。

研究者採用高速迴旋切割機將液態金屬分割成微小粒子，之後放入到醋酸/乙二醇的混合物中，來製造這些過冷液態金屬粒子。當這些粒子遇氧時，表面立刻氧化，形成液態金屬泡。氧化結束後即將這層氧化物打磨掉，直至表面平滑。

Thuo說：「我們要把握住這一過冷液體的存在狀態，防止凝固，並對其表面進行處理。」


過冷度下的殼-核結構


不同於普通的焊接材料，如波士頓東北大學的MesoGlue，該材料用同種金屬的液態粒子製作而成。這種情況下，鉍-銦-錫合金及其他包含鉍和錫的合金會生成液態金屬泡。

只有紅細胞大小的，直徑10微米左右的液態金屬泡才能用以修復微觀缺陷，進行微焊接，也可與其他宏觀金屬焊接材料一起進行無熱焊接。

該團隊表示，在室溫下採取過冷液態金屬粒子進行焊接及表面修復時，無須高科技設備、複雜焊接材料及高溫條件。

Thuo已就此申請專利並創辦公司，以便將新產品推向市場。為提高其導電性和機械穩定性，目前該新型過冷液態金屬正不斷改進與完善。他認為，這個項目是節儉創新與科學相結合的很好例子；所有的創新和問題解決都應該在切實可行、可持續以及價格低廉的基礎上進行。

論文地址：Mechanical Fracturing of Core-Shell Undercooled Metal Particles for Heat-Free Soldering

（論文見下方「閱讀原文」）

本文由材料人新銳作者姜美榮編譯，楊雨思審核，感謝尉穀雨提供素材。

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