液态金属

液态金属（共9篇）

篇1：液态金属

同质化竞争的日化市场，路在何方？

在中国，日化市场是竞争最为惨烈的市场之一，在这个市场，既有宝洁、联合利华等巨无霸式的外资公司，也有上海家化、纳爱斯等国内大鳄，还有更多的区域品牌死守着自己的阵地，在这个关系到10多亿中国人日常生活的市场，上演着一场场没有硝烟的争夺战。而且，这种竞争完全是产品同质化的竞争，比如透明皂、洗衣粉，谁能说出那个产品有什么特点？

杭州东南化工，前身是一个60多年的老国企，在实施转制为民营企业。旗下的船牌透明皂，在浙江有着1个亿的销量，属于一个局域市场的强势品牌，也是企业的拳头产品，但这个“拳头”并不那么硬，所以，日子过得并不那么滋润。一方面，透明皂利润极低；再加上渠道价格体系混乱，经销商普遍赚不到钱，怨声很大，长此以往，营销链将难以为继。

对东南化工而言，要想发展，必须开发和培育一个新的品种，形成另一个拳头，至少保持企业产品在浙江市场的优势。

然而，在这个充分竞争的市场，该细分的已经细分，能挖掘的概念也被挖掘的差不多了，开发新品种的路在何方？

找到市场的缝隙：液态皂

我们最终还是把目光聚焦在日用洗涤品市场，

在这个市场，基本上是三大类产品，按价格层次排列，依次是：洗衣液、透明皂、洗衣粉。其中洗衣液还是一个处于萌芽阶段的产品类别，因为利润较高，已经有不少品牌在该市场进行占位，只等市场放量。而透明皂和洗衣粉作为传统产品，已经被极度开发。

那么，在日用洗涤品市场，还有没有空隙？

通过周密的市场调查和消费者访谈，我们决定推出船牌液态皂。

所谓液态皂，即液体透明皂，这是市场的空白点

1、液态皂解决了传统透明皂只能手洗不能机洗的问题，在目前市场上，用于机洗的主要是洗衣粉；

2、液态皂源于透明皂，人们普遍认为（事实上也确实如此）透明皂比洗衣粉更环保，更能保护衣物，因此，液态皂比洗衣粉更健康。

3、与洗衣液相比，液态皂属于相对大众化的价格，价格只比透明皂略高，比洗衣液低很多，而产品形态与产品功能却与洗衣液相近。

无疑，液态皂能占领一个全新的市场空白点，同时具备概念、功能、价格上的优势。只要方法得当，执行到位，完全可以成为企业新的市场增长点。

篇2：液态金属

一、树立160t天车“6S”精细化管理目标

天车设备管理工作, 要树立明确的天车“6S” (整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养) 管理目标, 以下为二炼钢确定的160t天车“6S”管理目标。

(1) 对每项工作事事有依据, 件件能落实。

(2) 每人每车受控。

(3) 设备隐患提前发现, 突发故障迅速处理。

(4) 安全技术性能不断提升。

(5) 设备现场整齐划一、井然有序、一目了然。

二、设备管理措施

1. 编制完善的现场工作规范, 规范设备各项管理制度

天车设备正确的使用维护与操作离不开制度的建立和完善, 为保证天车正常使用, 近期整理完善了160t天车操作规程、维护规程、点检制度、润滑管理制度、交接班制度、事故处理应急预案、四班及长白班点检表、检修记录、润滑记录等, 做到设备“6S”管理事事有依据、事事有跟踪、事事可调查。做到各个环节有章可循, 有法可依。在编制日常工作规范时, 组织包括科室、工段、维护班组、一线生产的技术骨干进行讨论确认, 制定适合设备现状的设备操作、清扫、点检、保养和润滑规范, 确定工作流程, 力争做到科学合理而又贴近现场。

2. 理顺天车设备管理流程

在160t天车管理工作中, 要想做到各项工作的规范化, 以及使这些规范化的工作得到很好的坚持和保证, 就必须努力做到在设备一生管理的全过程中, 各个环节的行为规范化、流程闭环化、控制严密化和管理精细化。这样天车在保养检查中发现异常, 操作人员自己不能处理时, 就可以通过一定的反馈途径, 将保养中发现的故障隐患及时报告到下一环节, 直到把异常状况处理完毕为止。在日常使用中做到正确操作、合理使用、精心维护, 及时发现设备存在问题, 以采取相应的措施, 使设备经常处于完好状态。

图1为天车管理组织架构图, 图2为二炼钢所实施的160t天车设备管理流程。

3. 强化对操作人员的培训, 建立人、车档案, 进行专门的受控管理

设备使用效果的好坏不仅决定于设备的质量, 很大程度上还取决于操作水平。为提高操作人员的技术水平和素质, 2011年组织了安全操作和设备知识两次培训。还利用班前会和安全会学习相关制度和操作案例, 进行事故应急预案和消防知识的学习。使每个天车工真正达到“三好四会” (管好、用好、修好;会使用、会保养、会检查、会排除故障) 。另外, 每台天车都要建立专门的设备台账, 天车的所有维修、备件更换、维护保养工作都要记录在案。

4. 建立健全天车点检与检查三级网络, 确保天车始终处于受控状态

(1) 设备科每周组织一次天车专业检查, 各相关科室工段参加, 对检查出的问题进行限期整改和考核。

(2) 工段内部的检查。除天车工每班检查外, 每天由专业人员对天车进行点检, 另外工段管理人员对天车进行分片承包, 每周需上车两次以上。

(3) 操作工检查。在检查过程中, 对主起升系统的钢丝绳、滑轮、吊钩、制动器、减速机、滚筒组进行仔细排查。在钢丝绳使用和报废方面严格执行国家行业标准。对钢丝绳严格实行定期更换制度, 并建立更换记录, 不留隐患。

5. 计划检修工作

针对各级点检发现的问题做好计划检修工作, 提前一天进行检修项目申报。在申请检修时进行危险作业审批, 明确检修方案及安全措施。此后生产科根据生产情况安排检修。

6. 设备润滑工作

为保证设备充分润滑, 对设备润滑点进行明确分工并做好监督和检查工作, 严格执行好润滑管理规定。通过良好润滑, 仅换钢丝绳一项就节约成本约6万余元。另外车轮、联轴器、滑轮等其他备件的寿命都有不同程度的提高, 大大节约了维修费用。

7. 不断进行设备的革新与改造, 保证天车的安全技术性能不断提升

上钢160t天车运转率要求高, 对此天车主要进行了以下改造, 一是主钩控制系统由切换电阻启动改造为定子调压, 经过调速, 在工作中不仅减小了钢车及大包回转台的冲击, 还提高了天车机械及电气件的使用寿命。二是对副钩板钩的改造, 经改造后挂包退钩操作简易化, 降低了劳动强度。

8. 备件管理工作

在库存方面每种规格的备件只备用一件, 节约库存资金。换下的旧件, 如滑轮、车轮组等经设备科鉴定后能修复的进行修复使用。

9. 悬挂标识工作

近期按公司要求做好设备标识牌的制作及现场悬挂工作, 同时做好设备卫生、车上各种记录及物品的摆放和标识工作, 使160t天车成为公司的设备标杆。

三、结论

篇3：液态金属：新的“生命”形态？

2015年春，Advanced Materials（《先进材料》）上，发表了一项由清华大学医学院生物医学工程系刘静教授团队联合中科院理化技术研究所得出的研究成果。这一团队首次发现了电场控制下液态金属与水的复合体，可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象。

在放有氢氧化钠（火碱）溶液的凹槽里，两只约有成人小指粗细，长度却只有不到一半的液态金属“蚯蚓”静静地“沉睡”着。但只要“喂”给它们一小块铝箔，这两只银白色的“蚯蚓”就会在凹槽中游走，直到迎头相撞，便旋即合为一体，像编组站里的火车，挂接上新的车厢之后继续前行……

这种呈现出“生命”特性的金属，叫作“镓基液态合金”。具体来说，它是由镓和铟这两种低熔点稀有金属组成的合金。浸在氢氧化钠溶液里的液态镓铟合金，能够“吃进”铝箔，并像“吃饱了饭的动物”一样开始移动。正因如此，在《先进材料》上发表的论文中，它们被称为“仿生型自驱动液态金属软体动物”。

刘静教授团队的此项工作成果，源于长期以来在液态金属领域不断研究推进中的偶然发现。他们的研究表明，让镓基液态合金变身成为“软体动物”的本质原因，是合金“吃”铝的过程，剥掉了一部分铝表面的氧化铝层，使其露出了“新茬”。于是，浸在氢氧化钠溶液里的镓铟合金和铝，就在镓铟合金里产生了内生电场。或者说，这个液态合金和铝组成的系统，发生着类似电池内部的电化学反应。

这种反应的效果，就是改变了液态金属的表面张力，使金属珠“两侧”能够像公园脚踏船的桨叶那样“拨水”，成为推动金属珠前进的主要动力。与此同时，电化学反应产生的氢气，也形成一个个微小的气泡，成为金属珠移动的辅助动力。

这个令人着迷的过程，并非司空见惯的化学反应。化学反应的结果，通常是让参与反应的物质消失，并得到其他的物质。以中学化学中最常见的制取氧气和氢气实验为例，加热高锰酸钾（KMnO4），会生成锰酸钾（K2MnO4）、二氧化锰（MnO2）并释放出氧气，高锰酸钾则很快就会消减。制取氢气也是如此，将铁放进稀硫酸里，会得到硫酸亚铁（FeSO4），并释放出氢气；如果将锌放进稀硫酸里，则会得到硫酸锌（ZnSO4）并释放出氢气，而原本的金属和硫酸都会消减。

但“吃进”铝箔之后的镓基液态合金，则更像进餐后的动物。这些被置于电解液（氢氧化钠溶液）中的合金，只需要一点点铝箔，就可以移动很长时间，而且自身基本不会发生什么变化。

正因为镓基液态合金的独特性质，这种“软体动物”引起了世界各国科技界的广泛关注。虽然“动物”这个词仅仅是一种比喻，但也不禁让人思考：这些液态金属的人造物，可以称为“生命”吗？

如果扩展“生命”的定义，或者说让生命不再局限于碳基，镓基液态合金的确存在着被定义为“镓基生命”的可能性。它能够在氢氧化钠生活环境中“吃饭”和自主运动的特点，以及凭借液态“身躯”善于“变形”通过狭窄空间的优势，都让它具备了近似于动物的“特质”。甚至，驱动它运动的电化学反应，也可以理解为一种独特的“新陈代谢”。“自组装”的特性，有可能让它形成更为复杂的个体，甚至进化出基本的智能，这就像一个个细胞构成了人体的组织、器官，最终组成了可以思考和行动的人体一样。

或许正因如此，《先进材料》封面反映这项科研成果的科学画，竟然与反映5亿多年前寒武纪生命大爆发的古生物复原图有些相似。

生命是否还有别的形式？

镓基液态合金及其独特性质无疑超越了一般人的认知，所以刘静教授在向公众介绍的时候，常会引用一些经典的科幻作品和其中的形象，比如《终结者》里能够如流水般渗透，并且在中枪之后进行自我修复的液态金属机器人。他也着迷于其他一些科幻小说中对于非碳基生命的描写。这说明，无论是科幻作家的畅想，还是科技界严肃的研究，都在不断倾向于接受一种观念：生命完全有可能以我们意想不到的形式存在。

对非碳基生命的假想，在科技界早已有之。比如说，早在1891年，欧洲天文学界就已经在探讨以硅为基础的生命的可能性。这是因为，硅元素在宇宙中分布广泛。而且，在元素周期表中，它就在碳的下方，所以和碳元素的许多基本性质都相似。举例而言，正如同碳能和四个氢原子化合形成甲烷（CH4），硅也能同样地形成硅烷（SiH4）；硅酸盐是碳酸盐的类似物，三氯硅烷（HSiCl3）则是三氯甲烷（CHCl3）的类似物，等等。不仅如此，硅化合物的热稳定性，会使以其为基础的生命可以在高温下生存。

而在科幻作品中，硅基生命形象也不胜枚举。20世纪初的美国科幻作家，不幸英年早逝的斯坦利·格鲁曼·威尔伯姆，在其代表作《火星奥德赛》中，描述了一种寿命长达100万年的硅基生命。它每10分钟“呼吸”一次，排出一块二氧化硅，就像人类呼吸会吐出二氧化碳一样。但由于二氧化硅是固体，这种硅基生命会渐渐地被自己排出的废物埋起来，而后才会破开身边的二氧化硅，挪个地方“重新开始”。在中国，著名科幻作家王晋康在《水星播种》和《沙漠蚯蚓》等作品中，对硅基生命的描写也颇为传神。

除了“硅基生命”，出现在科幻作品中的非碳基生命还有很多。以氨取代水形成的“氨基生命”，也为科学界所关注。这是因为，（液态）氨的一些性质与水类似，比如甲醇（CH3OH）和甲胺（CH3NH2）这两种化合物是类似物。因此，在某些特定条件下，有可能以氨为基础，建立起一系列复杂化合物的对应体系，比如蛋白质和核酸的对应物质，最终发展出氨基生命。

当人们从有机物的相似物角度思考非碳基生命可能形式的时候，材料科学的进展，让一些化学家发现了某些金属化合物或合金具有的类似生命的性质。除了镓基液态合金，英国格拉斯哥大学的化学家李·克罗宁等人，就曾以钨和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐，制造出了类似于细胞的气泡，并赋予它们一些类似生命的特征。这些无机材料表现出来的独特性质，蕴含着耐人寻味的奥秘。

在很多科幻小说和影视、游戏作品中，都有“赛博格人”（人机结合体、半机器人）角色出现，而这一群体所依赖的技术，也令刘静教授关注和着迷。比如，在电影《星球大战》系列里，绝地武士阿纳金·天行者和卢克·天行者都有过被敌人斩断手臂的经历，而后安装了能够与身体接驳的精密机械手臂继续作战。

而刘静教授等人研究的镓基液态合金，不仅有着酷似动物的活动模式，还具有其他一些有趣的性质，比如独特的医学价值。动物实验表明，通过外科手术，人们可以用液态金属材料接驳被切断的神经，从而将断开的神经信号重新连接。这是因为金属是导体，而动物的神经活动，本质上传递的是电信号。

在日常生活和军事行动中，因为受伤导致身体某一部分神经被切断的情况并不罕见。对于这样的病例，液态金属提供了一种修复神经的可能性，使伤员不至于因为神经受损而瘫痪。不仅如此，液态金属还有可能成为“人机接驳”的“桥梁”，或者说衔接传统意义上的生命体与非生命体。

而在现实生活中，一些实现人机接驳的手段，也会为医学界所用，以疗救重症伤患。比如，以提取脑电波来推断残疾人意图，并据此进行动作的假肢已经出现；如果能实现假肢与人体神经的直接、高效而稳定的连接，那么假肢就会真正成为人体的一部分。

如今，随着国内外科学界对镓基液态合金研究的深入，液态金属有可能为生命“升级”，让现实生活中出现越来越多的“赛博格人”。

篇4：液态金属

一、散热问题—IGBT器件不可逾越的鸿沟

当IGBT器件工作时, 产生的热量会使芯片温度升高, 如果散热缓慢, 那么就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高IGBT结温, IGBT器件的性能将显著下降, 并且不能稳定工作, 从而导致IGBT器件性能恶化或失效, 而研究表明, IGBT器件失效率与其结温指数有直接关系, 其性能随结温升高而降低。研究数据表明, IGBT器件工作温度每升高10℃失效率增加1倍, 此外, 过热引起的“电子迁移”现象会对芯片造成不可逆的永久损伤, 影响芯片寿命。同时随着IGBT器件容量的不断增大, 对散热效能提出越来越高的要求。所以IGBT散热设计的基本任务是, 根据传热学的基本原理, 设计一热阻尽可能低的热流通路, 使器件发出的热量能尽快地发散出去, 从而保证器件运行时, 其内部的温度始终保持在允许的结温之内。

二、导热介质—IGBT器件与散热器之间纽带

安装散热器的基本目的是把IGBT器件中产生的热量传递出去。热量传播主要有如下三种方式, 即热传导、热对流和热辐射, 而散热器的类型通常有自冷式、风冷式、液冷式和沸腾式四大类。本文将重点对比新型与传统导热介质材料, 导热介质被广泛使用在IGBT器件与散热器接触表面上, 主要目的是填充IGBT安装面与散热器之间的间隙, 达到均匀、有效的散热效果, 避免器件温度过高而损坏IGBT器件, 所以导热介质的选取是及其关键重要的。

三、液态金属—导热介质新生军

传统导热介质硅脂, 主要由硅油和填料组成, 其中填料是磨得很细的粉末, 成分为Zn O/AI2O3/氮化硼/碳化硅/镁粉等, 硅油保证了硅脂的流动性, 而填料填充了IGBT器件和散热器之间的微小空隙, 保证了导热性。但硅脂作为导热介质有一定的限制范围, 不能稳定的工作且高温易挥发固话, 因而影响系统运行的可靠性, 尤其是大功率应用领域, 散热问题成为技术人员急于解决的问题。作为一家专注于研发和生产的导热界面材料的vrycul (维酷) 公司, 主推不同粘度的液态金属导热膏和导热片, 这系列产品是近些年国际散热领域的一项突破性革新, 性能优势十分明显。下面, 我们将以表格的形式对比vrycul液态金属导热材料与传统硅脂导热材料性能优劣。

通过对比可知, vrycul液态金属导热材料性能优势十分明显, 同时热导率优于硅脂材料100%-800%, 寿命是传统硅脂材料2倍以上, 耐高温能力达到500℃, 同时工作稳定, 有效保持散热器持续散热, 且维护方式简单, 降低维护成本。硅脂作为导热介质致命缺陷也十分明显, 首先, 硅油本身不易挥发, 但硅脂易挥发, 易游离, 本身表面张力小, 易从机器中泄露, 同时具有一定的吸湿性, 致使IGBT器件性能急剧下降。IGBT器件本身是以叠合结构形式工作的, 本身体积较大, 组装困难, 反复拆装维护致使设备管理维护费用高昂, 其次, 硅脂本身材料导热率较低, 工作温度区间较窄, 适应工作环境较差, 致使IGBT器件工作条件受限, 直接影响IGBT器件工作效率。

篇5：宜安科技：液态金属将成最大看点

据悉，不久前美国图灵机器工业公司宣布推出一款名为Turing Phone的手机，其特色在于内有独特先进的加密技术为其加密，外有高强度的液态金属边框保护机体。该手机边框采用了一种叫“Liquid morphium”的合金（锆、铜、铝、镍、银合成的非晶合金），而该合金正是由宜安科技董事长李扬德教授和材料科学家Atakan Peker博士共同研发而成，其强度比钢和钛还要高，能够使手机免受冲击和屏幕破损。

投资者可以把握的是，图灵机器工业是一家致力于研发基于智能身份认证技术保护用户数据安全的移动互联网终端和提供整体解决方案的科技公司。此次其推出的Turning Phone 的特色并不在于其硬件设施，其独到之处在于其前所未有的安全性，内有独特先进的加密技术为其加密，外有高强度的液态金属边框保护机体。图灵手机采用“分散式身份验证”，对任何通信进行加密，并配有公钥和手机端预装的私有密钥；同时还配备指纹辨识器，保护用户资料安全。图灵方面表示，Turning Phone 几乎无法破解。就大格局而言，在互联网信息安全逐步受重视的大环境下，图灵有望引领下一代移动网络信息安全的发展。

在投资宜安科技前，投资者需了解的是，液态金属即非晶合金，是指与通常情况下金属材料的原子排列呈现的周期性和对称性所不同的非结晶状态的金属。非晶合金材料长程无序的结构使得其具备了特殊的性能，如高强度、高硬度、高光洁度、耐腐蚀和耐磨性等。目前，非晶合金材料除了在电子消费品上有所应用，还在结构材料、家居用品、运动器械、医疗用品和航空航天上有大量的应用。

就宜安科技本身而言，公司是在2010 年开始研发非晶材料，现已取得重大突破，形成了较高的技术壁垒，非晶合金产品也已实现量产。公司现正筹备非公开发行事项，其中有3 亿元用于非晶合金精密结构件扩产项目。此项目在扩大非晶合金的生产规模的同时，将加速完善公司非晶合金产品的成熟度，增强公司在液态金属领域的综合实力，打造新的利润增长点。

此前，宜安科技还与深圳赛格于5月29日签订战略框架协议。双方将围绕以液态金属、消费电子及航空航天配件、开发环保装备、生物材料可降解医用镁合金等四大产业方向进行广泛的战略合作。可以预期的是，该合作有利于充分发挥宜安科技在技术研发及资源方面优势，更好地推动液态金属技术的产业转化与推广应用。

业绩方面，海通证券给出宜安科技2015—2016年EPS分别为0.30元和0.41元。

篇6：液态金属

未来舰船将采用的综合电力系统相比于传统舰船电力系统,其容量将大幅度增加,与此对应的电网最大短路电流的幅值也急骤增大,因而对电气设备承受短路电流的能力的提出了更高的要求[1,2,3]。考虑到现有开关的分断能力不能很好地满足要求,因而采用限流器结合断路器的方法来提高短路电流分断能力是合适的选择。带收缩作用的液态金属限流器(LMCL)属于主动结构型式的限流装置[4],集触发和限流一体,和低压断路器串联使用时可以明显增大最大开断能力,是可能用于综合电力系统的限流装置。

针对液态金属限流器的限流特点,本文以液态金属限流器短路试验系统为研究主体,基于电磁暂态分析仿真平台PSCAD/EMTDC建立试验电路仿真模型,通过设定等效时变非线性电导的方法对液态限流器限流过程进行了仿真分析,进而了解和掌握液态金属限流器的限流暂态过程。

1 液态金属限流器工作原理[4]

液态金属限流器是一种利用液态金属作为限流主体的自恢复限流器,利用液态金属流动性特点可使限流器没有机械可动部分,且分断过程没有电弧等离子体喷出。液态金属在一个密封容器内,通过耐高温的带有小孔的绝缘片把全部的液态金属分割成多个隔层,在正常条件下电流流过铜极(正极),再经过容器内液态金属,最后流过铜极(负极),而在故障条件下电流路径沿着液态金属通过这些孔被收缩,从而达到限流的目的。

液态金属收缩原理如图1所示,液态金属通过一系列收缩-扩展的隔板狭缝,由于电磁力和液体的流动性,可使绝缘片孔颈部分的液态金属收缩,使截面的孔颈部分的电流密度和磁通密度加强从而引起极不均匀电路密度分布。孔颈部分的沿径向r收缩力按洛伦兹力公式可得:

由式(1)可见,径向收缩力p(r)与电流I的平方成正比,与孔径R的平方成反比,因而减小孔径可增加电流密度、磁通密度和径向压力。由于被移动的液体数量较少,孔颈部分的液态金属很快收缩,同时焦耳热使这部分的液体金属快速气化。随着绝缘片孔颈部分液体金属的收缩和气化,开始燃弧过程。

2 液态金属限流器短路试验电路

图2所示为液态金属限流器短路试验系统结构图,由充电电路和放电电路两部分组成,其中充电电路使用三相交流电通过三相不控整流得到的直流电源给三组电容器充电,放电电路由三组电容器并联同时串二极管以减少电弧对试验装置的烧蚀。与电路相对应试验也分为两个阶段:充电阶段闭合开关K1,打开开关K2,对电容充电;放电阶段闭合开关K1,打开开关K2,在二极管作用下获得一个10 ms左右的正半波短路电流。使用分流器测量液态金属限流器限流后回路中的电流,并通过示波器显示。

3 基于PSCAD/EMTDC的试验电路仿真模型

3.1 基于Mayr电弧模型的液态金属限流器仿真模型

PSCAD/EMTDC是一个国际通用的电力系统电磁暂态分析工具,具有图形化工作界面和通用元件库,而且支持自定义模型[5,6]。PSCAD/EMTDC的元件库中没有液态金属限流器模块,所以针对试验中液态金属限流器表现为一个随时间变化的非线性电导的特点,编制时变非线性电导元件g(t)模块来模拟限流器。

液态金属限流器整个限流过程可以分为三个阶段,首先电流之间通过磁场的相互作用,产生相互吸引的洛仑兹力,使得液态金属在小孔处的截面收缩,到一部分液态金属变成蒸汽时产生电弧,这个阶段液态金属限流器表现为低阻抗状态,设定g(t)为恒定值g0。接着电弧缓慢燃烧,燃弧的过程进入稳定状态,这个阶段液态金属限流器表现为从低阻抗状态迅速上升至高阻抗状态,这时选择Mayr电弧数学模型来设定时变电导。Mayr电弧模型是一种广泛应用于分析燃弧过程中电弧的外特性的数学模型,其基本思路是通过一些特定的假设而不深入分析灭弧室内部复杂的物理过程,将电弧的外特性视为由若干时间变量(电压、电流、电导)及时变电弧参数表示的时变电路元件,并与其所在电网联立求解暂态过程[7]。在Mayr假定的条件下,电弧电导表示为:

其中:g 0是常数,Q0表示单位弧柱中参考含热量。这样Mayr电弧模型可表述为:

其中:τM是时间常数,P是电弧能量耗散功率。τM的大小表述电弧电阻的热惯性。由于式(3)为非线性微分方程组,采用具有2阶精度的隐式梯形算法求解,其流程如图3所示,其显式迭代式为式(4):

随着电容放电过程的结束,当电弧功率小于耗散功率时,弧柱趋于温度降低和直径缩小,趋向熄灭,这个阶段液态金属限流器表现由高阻抗状态缓慢过渡到低阻抗状态,这时设定g(t)为线性增加。整个过程可以用式(5)描述:

通过液态金属限流器模块对话框可以设置液态金属限流器模块参数,其中tc和P为Mayr电弧模型常数,而g0为低阻抗状态时恒定阻抗值,st为起弧时间,st为熄弧时间,如图4所示。

3.2 基于PSCAD/EMTDC的试验网络

根据图2所示液态金属限流器短路试验系统建立基于PSCAD/EMTDC的仿真电路如图5所示,也包含充电电路和放电限流电路两部分。其中开关器件采用元件库中理想模型,忽略实际开关合闸过程造成的影响,功率二极管采用元件库中理想元件,忽略实际功率二极管发热等损耗,设定合适的线路阻抗,模拟实际回路中线路阻抗。

4 仿真结果分析

设定合适的液态金属限流器模块参数后,用PSCAD/EMTDC建立的LMCL短路试验电路进行仿真,得到液态金属限流器作用后短路电流波形和液态金属限流器端电压波形如图6所示,得到的等效时变非线性电导的波形如图7所示,实际试验测得的波形如图8所示。由图中可以看出PSCAD/EMTDC仿真计算结果和试验结果基本吻合,说明了基于外特性设定等效时变非线性电导的方法对限流过程进行模拟的正确性,具体误差分析见表1,其中Iapmax为预期短路电流峰值,Iclmax为限流后短路电流峰值,tIup为限流后上升至短路电流峰值时间(限流器开始动作时刻计时),ULMmax为液态金属限流器端电压峰值,tUup为达到液态金属限流器端电压峰值时间(限流器开始动作时刻计时)。

5 结论

(1)基于PSCAD/EMTDC搭建了液态金属限流器短路试验仿真电路,并通过设定等效时变非线性电导的方法对液态金属限流器短路试验进行了模拟,仿真波形与实际试验波形基本一致,说明了使用该方法研究液态金属限流器暂态过程的正确性。

(2)设定等效时变非线性电导的方法搭建的液态金属限流器模块,通过参数调节,可以推广到其他运用液态金属限流器的场合。

摘要：为了正确模拟液态金属限流器的限流过程,以液态金属限流器短路试验系统为研究主体建立了基于电磁暂态分析仿真平台PSCAD/EMTDC的含液态金属限流器的非线性电路仿真模型,并对液态金属限流器限流暂态过程进行了仿真分析。针对液态金属限流器燃弧过程复杂的特点,基于电弧的外特性采用设定等效时变非线性电导的方法对燃弧过程进行了模拟。仿真分析得到的液态金属限流器限流暂态过程中电压电流特性符合实际试验结果,证明了该方法对于模拟液态金属限流器暂态过程的正确性。

关键词：液态金属限流器,PSCAD/EMTDC,暂态过程,非线性,仿真

参考文献

[1]马伟明.舰船动力发展的方向-综合电力系统[J].海军工程大学学报,2002,14(6):1-5,9.MA Wei-ming.Integrated Power Systems-trend of Ship Power Development[J].Journal of Naval University of Engineering,2002,14(6):1-5,9.

[2]郑定泰.水面舰艇综合电力系统的技术进展[J].舰船科学技术,2005,27(5):5-12.ZHENG Ding-tai.The Technical Development of the Integrated Power System for Surface Ships[J].Ship Science and Technology,2005,27(5):5-12.

[3]杨秀霞,张晓锋,张毅.舰船电力系统的发展趋势[J].中国修船,2004,(3):12-14.YANG Xiu-xia,ZHANG Xiao-feng,ZHANG Yi.Developing Trend of Marine Power System[J].China Lay-up,2004,(3):12-14.

[4]陈德桂.两种新的限流技术[J].低压电器,2005,(4):3-4.CHEN Gui-de.Two Kinds of Limiting Technologies[J].Low Voltage Electric Equipment,2005,(4):3-4.

[5]Manitoba HVDC Research Center.PSCAD/EMTDC Power System Simulation Software User’s Manual Version3[M].1998.

[6]Anaya O,Acha Lara E.Modeling and Analysis of Custom Power Systems by PSCAD/EMTDC[J].IEEE Trans on Power Delivery,2002,17(1):266-272.

篇7：液态金属机器人：终结者来了？

《打印机维修》《助听器》《金属及矿产品深加工》……如果单看刘静办公室书架上的书，你很难猜中他的研究领域究竟是什么。而他的最新发现听起来更是与他所在的低温生物医学工程实验室风马牛不相及：一滴可以自己运动的液态金属。对此，英国《新科学家》杂志评价说，这一研究结果距离电影《终结者2》的“T1000”液态机器人又近了一步。

“与终结者联系在一起，媒体的说法可能有些夸张了，这仅仅朝着那个方向迈出了第一步。不过，这完全是个意外的发现，并不是国家科研经费资助的项目。这说明科学的本质特征就是无法计划的。”刘静表示。身为清华大学医学院与中科院理化技术研究所的双聘教授，他横跨工程热物理与生命科学两大领域：大学时念的是热能工程，同时攻读了现代应用物理专业的第二学位，直博时又转向生物医学工程方向。这正是他能够做出此次发现的专业基础。

液态金属软体动物

刘静的博士后盛磊为《中国新闻周刊》记者重复了这一实验。过程其实非常简单：在一个圆形培养皿里注入氢氧化钠溶液，用注射器将一种液态合金少量地“注射”进溶液里，可以看到液态金属在溶液里呈银色小球状。撕一小块薄薄的铝箔置于金属球上，就能看到铝箔慢慢地被金属球“吞噬”，同时，金属球表面产生大量的细小气泡。过了一会儿，金属球顺着培养皿的内沿开始转动起来。这种液态金属能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此，刘静小组将其形象地命名为“液态金属软体动物”。

这是科学家首次观察到在无需施加外电场的情况下，液态金属在吞食少量物质后就能自主运动的现象。这一现象的原理，刘静解释说，一是化学反应使液态金属内部形成电场，造成其表面张力的不对称，继而对易变形的液态金属造成强大推力;同时，化学反应中产生的氢气也提供了一定的推力作用。

在这两种作用力中，刘静强调说，对于大尺寸的液态金属对象而言，前一种由电势差产生的推力更为主要，光凭氢气产生的推力是不足以让密度很高的大个液态金属快速运转起来的。在他们的实验中，经由这种化学反应可以发生自运动的液态金属，最大尺寸已经达到了六七厘米水平。

“你可以把吞食了铝的液态金属球看做是一个化学电池。不仅仅是碱性溶液，我们在酸性溶液甚至生理盐水中也都观察到了这一现象。”盛磊补充解释说。该研究结果已在2015年3月的《先进材料》杂志上以内封面报道的形式刊出。在论文提及的实验中，一块5毫米大小的液态金属在吞食了铝箔之后，能够持续运动1个小时以上，速度高达每秒5厘米。

液态金属机器人的应用前景广泛。据此制成的微型泵可满足诸如药液、阵列式微流体的运输等，成本极低，将来还能发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器。

日本东京大学科学家Taro Toyota对此评价说，这一发现将有助于人类将化学能转化为机械能，用于未来制造液态机器人。不过，与其看成是终结者机器人，他更倾向于将其比作科幻电影《飞天法宝》里那块会飞的物体。

惊人的发现

刘静的实验室里摆着五花八门的发明：治疗肿瘤的“冷热刀”，可用来直接打印电路板的机器，液态金属CPU散热器等。这最后一项，正是他此次研究成果的源头。

2002年前后，刘静使用一种液态的镓铟锡合金，用作计算机CPU冷却剂，以替代传统的风扇散热器。这种液态合金有非常鲜明的特点：在10度至2000度之间都呈液态，有点像体温计中的汞，但没有汞所具有的毒性。它还具有杰出的导电性能，是水的数亿倍，其电导率显著优于纳米复合材料等其它热门神经修复材料。同时，它很稳定，很难与酸碱溶液发生反应。

因此，刘静想到了自己10多年前在读博期间遇到的一个命题：人体大脑神经缺氧后极易出现不可逆损伤;此外，遍布全身的神经网络，稍有不慎极易受到损伤甚至断裂。全国每年的神经受伤案例超过10万人次，尽管现有医疗技术可在一定程度上加以治疗，但完全康复者却在少数。因此，寻找合适的神经移植替代物一直是神经修复领域的一大挑战。那么，可否将眼前的这种特殊金属用于断裂神经的连接？

于是，他带着盛磊和博士生张洁等人一起做了这样一个实验：将牛蛙大腿上的坐骨神经剪断，再用注射器将液态金属注射进去，以连接剪断的神经。结果发现，重新连起来的神经能很好地传递刺激信号，在信号传导效果上与未受伤的神经几乎一样。而且，由于镓铟锡金属在X射线下具有很强的显影性，在完成神经修复后很容易再通过注射器取出体外，这就避免了复杂的二次手术。2014年4月，刘静等人的论文发表于在线杂志“物理学预印本”网站上，立即引发了众多国际知名科学杂志和媒體如《新科学家》《麻省理工技术评论》《福克斯新闻》等的报道，被称作是“令人震惊的医学突破”。

由于神经传导依靠的是电信号，在探索修复断裂神经的过程中，刘静需要对液态金属的导电性能进行研究。因此，他们在生理盐水中施加电场，却惊讶地观察到，培养皿中的液态金属会出现旋转行为。这是刘静以前未曾想到过的，他为此设计了更多试验，带领小组一一揭示了液态金属可在各种形态和架构中发生转换的普适现象。2014年1月，他们在“物理学预印本”网站公布了该研究的部分成果，迅速引起了国际学界的强烈反响，被大量科学媒体和专业网站专题报道;同年5月，在《先进材料》杂志以封面文章的形式在线发表了全部成果，产生了持续广泛的影响。

意外的收获

刘静和他的同事们分析，此前所有的实验都是在电场环境下实现的。将来液态金属要想有实际的应用，就必须脱离电场，这才有了今天的发现。而下一步的研究方向，刘静说，就是要让液态金属进一步摆脱电解溶液环境。

在连接断裂神经的研究中，偶然发现了液态金属的电控可变形特性，这看上去就像是“跑题”的研究，但却有了意外的收获，对此，刘静感叹这正是科学的魅力所在。10多年前，当他开始研究液态金属时，这还是一个鲜为人知的冷门领域。最近几年，液态金属的特殊性能已经引起了国际学界的关注，成为热门研究领域。2014年3月，澳大利亚的科学家们也在PNAS上发表论文称，可利用电控下浸没于氢氧化钠溶液中的液态金属微球的旋转效应，来驱动流体。

至于液态金属连接与修复断裂神经的研究，刘静说，这是极具现实意义和重大医学需求的课题，他为此吸纳了新的研究成员开展更多的动物实验，并正着手与临床医学的合作。

篇8：液态金属

斜坡上的黑线标记看起来非常像液体流下山坡

无论如何这或许存在一个例外。科学家们假定少量的液态盐水能够短期的存在于火星表面。其中的盐分让水无视稀薄的大气 (和较低的大气压力) 和寒冷的温度保持液体状态。在地球上的实验结果也已经验证了这一想法。

液态盐水曾经被凤凰号登陆器直接观察到。凤凰号降落在了靠近北极点的火星北极圈内, 在降落后曾经在登陆器的支架上发现了微小的液滴, 那很显然是水滴。它们形成并且进行了融合, 而且在升华之前缓慢的沿着支架滑落。凤凰号无法直接分析它们的成分, 但是它们的外貌和行为都像盐水水滴, 而且科学家发现这里的土壤和火星其它位置的一样含有水冰和盐分。科学家推测宇宙飞船的热量导致液滴的形成, 很可能是在降落过程来自它本身的排气。

去年在火星侦察轨道器从轨道中拍摄的照片中发现了液态盐水可能存在的其它证据。斜坡上的黑线标记看起来非常像液体流下山坡。这些痕迹不像其它的痕迹或许能够以滑坡这样的干涸过程来解释, 它们出现于较温暖的季节, 那个山坡正对着赤道而且季节性重复。它们在完全消失以前在山坡上留下了黑色条痕, 而这正是水才能做到的。

上个周科学家们在德克萨斯举行的月球和行星科学会议上对这些吸引人的特征进行了进一步的分析, 除了盐水之外他们找不到一种合理的解释。这些发生“周期性斜坡条痕 (RSL) ”的已知位置已经从过去的7个增加到15个。目前火星上也有另外23处候选位置, 虽然这些地点还没有发生周期性变化, 但是仍然需要进一步的观察。

在地球的南极洲存在着类似的地理位置, 在那里地下盐水从土壤中渗出流下山坡。根据美国俄勒冈州立大学乔-利维所述:周期性斜坡条痕和南极洲水痕都是像水从沉积物中流动一样。如果它像水一样流动, 那么它很可能就是水。

篇9：液态金属

新研究让液态金属机器能“跑”能“跳”

据中科院微信公众号发布，近期，中国科学院理化技术研究所联合清华大学研究组，首次报道了由液态金属驱动的金属丝振荡效应、金属颗粒触发型液态金属跳跃现象等，并研发出镀有磁性功能层的自驱动液态金属机器乃至以液态金属为车轮的微型车辆，其中两项研究以封面文章形式发表。

此前，液态金属机器均以纯液态方式出现，固液组合机器效应的发现和技术突破，使得液态金属机器自此有了功能性内外骨骼，将提速柔性机器的研制进程。

记者注意到，这个科研团队的带头人是中科院理化所双聘研究员、清华大学教授刘静。

2013年6月，把液态金属做成打印“墨水”，刘静团队首次研发出纸上直接生成电子电路的技术。一年后，团队又研发出世界首台室温液态金属打印机，借助该设备，只需在计算机上设定程序，就可以“打”出个性化的电路系统。2015年初，刘静带领的团队造出世界首台液态金属机器的相关论文引起《科学》等权威网站的关注，被形容为制造出“终结者”。

刘静团队近期在发表于《先进科学》上的题为Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212，2016；封面文章）的论文中，报道了一种异常独特的液态金属固液组合机器的自激振荡效应：将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时，铜丝会被液态金属迅速吞入，并随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动，如同演奏音乐中的小提琴琴弦一般（如图1）。

此外，用不锈钢丝触碰液态金属，还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。造成上述现象的机制主要在于，铝与碱溶液反应引发液态金属与铜丝两端出现浸润力差异所致，这里，銅丝、液态金属、电解液及氢气之间多相界面的动态耦合产生了节律性牵引力。这一突破性发现革新了传统的界面科学认识，也为柔性智能机器的研制打开了新思路，还可发展出流体、电学、机械、光学等系统的控制开关。

在发表于《应用物理学快报》上的题为Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108，223901，2016）的论文中，作者们发现了一类有趣的液态金属跳跃行为（如图2）：向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒（镍、铁等）后，原本静止的金属液滴开始跳动起来，并在容器底部留下一串饼状“脚印”。

研究揭示，金属颗粒与液态金属表面发生点接触时，交界面处电场强度显著增强，以至会在溶液内电解产氢，氢气泡在基底不断吸附长大形成“气体弹簧”，这就为液滴跳跃提供了推力。导致电场极化的因素之一是来自液态金属与固体金属颗粒之间的电势差即原电池效应（如图3）；另一原因则在于，固-液材料界面间微观形貌差异会导致电荷累积，继而引发尖端放电效应。

在《材料化学学报B》上的论文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4，5349，2016，封面文章）中，研究小组通过电镀方法在液态金属表面镶嵌铁磁性镍层，由此实现了机器在外部磁场或电场作用下的灵活控制（如图4），并验证了其在药物递送方面的潜在价值。超越于无规则运动型液态金属机器的是，该磁性固液组合机器可实现运动起停、转向和加速等复杂行为。

进一步地，研究小组还发展出一种以柔性可变形“车轮”驱动的微型车辆，其由金属液滴及经3D打印的塑料本体组合而成。在电场作用下，液态金属“车轮”可发生旋转变形，继而驱动车辆行进、加速乃至实现更多复杂运动（如图5）。采用类似于四驱车的结构，研究小组证实其可在携带重物0.4g的情况下以25mm/s速度运动。这种固液组装型柔性机器的设计概念可衍生出更多复杂的可控机器结构。相应研究发表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery，6，56482-56488，2016）上。

十多年来，由中科院理化所研究员刘静带领的团队围绕液态金属开展了大量原创性探索，在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医疗及柔性机器等领域取得全面突破。团队迄今已发现30类以上具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应，研发出数十种实用技术，在包括北京、云南、广东等地在内的全国范围内推动产业化，先后促成了领先性液态金属产品生产线、研发中心及科技馆的建设落成，多种产品进入市场，提出的创建液态金属谷乃至发展液态金属全新工业体系的构想也正从理想变成现实，成果在海内外学术界和工业界产生重大影响。

近些年，刘静团队一直在致力于联合工业界推动液态金属产业化应用。“我们有幸在液态金属研究上走在世界前头，但在产业方面不能落后，我们要把握历史机遇，帮助我国建成世界级的液态金属谷。”刘静说。

离造出“变形机器人”还有很长路要走

随着科技的不断进步，液态金属已经走进了我们的视野，但拥有液态金属就意味着能制造出“变形机器人”吗？

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家在今年8月也表示，他们使用一种液态金属合金制造出能自主操作的开关和泵。最新技术可用于制造能像活组织一样行动的电子设备，甚至类似“T-1000终结者”那样的3D液态金属机器人。尽管目前“T-1000”离完全实现还有不少技术障碍，但澳大利亚的科学家称他们已朝这一方向“迈出了坚实的一步”。

理想情况下，利用这项技术，人们无需对机器人进行如何的塑形，只需要按照一定程序来改变水的酸碱成分，金属就能自行达到既定的形状。这项技术达到一定程度之后将彻底改变钢材的应用范围。例如，当无人机需要穿越一个较为低矮的地方，如果采用了这种液态金属之后，它可以瞬间变成扁平状，一举飞跃障碍。

当然，墨尔本理工大学的研究者也承认，这项技术还有很长的路要走，短时间内想要实现它根本是不可能的。建造液态金属机器人所需要的编程复杂性将远超目前的方法。更困难的是，想要达到“变形机器人”的这种高度，势必要求内部的所有智能设备也必须采用液态金属，就目前的情况来看，我们还找不到一项合适的技术能够解决。