张昕嫱 王海龙 乔标 曹茜芮 朱杰

液态金属，也称“低熔点金属”，熔点通常在200℃以下。液态金属既具备良好的导电性和导热性，又拥有极佳的流动性，物化性质稳定，易于成型，是超越铜、银、铝等传统电子材料的颠覆性前沿材料。目前，液态金属已应用于集成电路、中央处理器（CPU）散热器等多个电子信息关键领域，能大幅提升产品和技术性能。为此，需要加速液态金属的技术提升和成果应用，打造助力电子信息产业弯道超车的“推进剂”。

1 液态金属实现3大技术突破

近年来，液态金属领域的一些重大突破初现端倪，可能引发若干领域的群体性突破和系统性创新，为解决CPU运算速度提升、集成电路柔性制造等电子信息产业发展的瓶颈制约提供了全新思路。

1.1 液态金属热管理技术的快速突破，有望大幅提升CPU运算速度

CPU发热问题是限制运算速度的最重要因素之一。当前，处理器大多使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，每个时钟周期都会产生能量耗散，所以热量会随运算速度增加而增加。市面上的CPU散热器导热介质以硅脂为主，硅脂导热的原理是通过硅油包裹导热氧化铝填料，再填充到界面之间的缝隙里，达到增加导热面积的目的。但是传统硅脂材料存在2个问题，一是出于安全考虑，硅脂导电性较弱，也影响了导热性能；二是填料颗粒较大，无法达到完全填充缝隙的状态。相比硅脂，液态金属具有更加优秀的导热性能。液态金属的典型成分——镓基合金、铋基合金拥有高导热性，导热系数是传统硅脂的50倍以上；由于界面渗透率高，移热能力也优于银、铜等金属。欧美发达国家将液态金属应用于高端计算机CPU散热器，待机温度可比普通硅脂低8%，CPU满载工作温度仅是普通硅脂的69.7%，能够大幅提升运算核心的计算速度。德国酷冷博（Coollaboratory）公司、英国维酷（VRYCUL）公司的液态金属导热介质已实现成果转化，在业内取得极佳口碑。在我国，云南中宣液态金属科技有限公司等企业也初具规模，具有年产10t液态金属导热片、10t液态金属导热膏的生产能力。

1.2 液态金属频率重构技术的快速突破，将显著改善通讯设备天线的环境适应能力

液态金属具有高柔韧性和“再生”机制。在外力作用下，材料内部一旦出现裂痕，晶体边界将会立即发生移动，从而修复裂痕并制止裂痕的继续扩大趋势。利用液态金属的“再生”性能，可以提升电子通讯设备的性能。例如，随着通信技术的发展，对军用机载无线电的要求也在不断提升，执行不同任务，需要的无线电工作频率不尽相同。为满足需求，军用飞机常需配装数十副天线，而多副天线通常会造成系统构造复杂、质量增加、信号间干扰等多种问题，使得无线电系统整体性能下降。通过微型泵驱动液态金属发生形变并还原，将使其用于制备可重构、可修复天线，能够适应多种环境变化，大幅精简了飞机通讯设备。据测算，与传统铜天线相比，液态金属天线尺寸可减小20%，1.95 GHz时天线增益高达10DBi。美国空军研究实验室（AFRL）于2017年成功研制可在70MHz～7GHz之间按需调节的液态金属天线，降低系统间电磁干扰，目前已完成可行性验证和原型件试制。在我国，液态金属在通信领域的研究仍处于起步阶段，仅有哈尔滨工业大学、重庆大学、华中科技大学等高校着手研究。

1.3 液态金属电子印刷技术的快速突破，将推动集成电路制造技术更加柔性化

由于液态金属的导电性受到温度、氧化程度和磁场强度等多个因素影响，通过改变物理场环境，可以将液态金属作为可控的逻辑计算单元，实现运算控制；结合液态金属易于形变的特性，可以将其作为油墨，通过电子印刷技术，直接制造超薄电子晶片、可编程电路板等柔性化的集成电路元器件，可以克服当前芯片生产的局限性，更加适用于智能化制造。未来甚至有可能全面替代半导体，终结晶体管时代。发达国家已经加快了液态金属在集成电路产业的应用布局。2015年，AFRL资助普渡大学实现液态金属喷墨打印的批量化生产方法，精度达到微米级。2017年，英国萨塞克斯大学和斯旺西大学公布了通过改变电场强度促使液态金属二维形变的研究成果。在我国，2013年中国科学院理化技术研究所就取得了液态金属3D打印技术、液态金属电子油墨等科研成果，并研发出世界首台全自动液态金属个人电子电路打印机。目前，已在云南建成年产200t液态金属原液、液态金属电子油墨以及年产20万套液态金属电子手写笔的生产线，相关产品已投放市场并远销欧美国家。

2 我国液态金属产业发展的短板瓶颈

2.1 在电子印刷领域仍需技术攻关，在频率重构领域需要缩小与发达国家的技术代差

我国在液态金属的电子印刷领域具有研发优势，但继续推进产业化仍存在技术瓶颈：一是液态金属的流动性和表面张力难以控制，液态金属在物理场中的聚集、形變尺寸控制有待研究。例如，镓铟合金的表面张力可以达到0.5N/m，大约是水的9倍，常温常压下呈球状，难以将其作为液体应用。虽然美国北卡罗来纳州大学相关研究表明，可以通过施加电压，使金属表面生成氧化层来控制表面张力，但是由于氧化层的性能指标难以控制，技术仍然难以应用在产业中。二是液态金属随物理场改变呈现的半导体特性研究尚未形成体系。美国卡内基梅隆大学的相关研究表明，液态金属的毛细现象与表面张力会改变其导电性，当液滴相互靠近时，液滴之间会形成“金属桥梁”导电，液滴分开后即消失，呈现出场效应晶体管源极和漏极的效果。但是这种导电特性还受哪些物理场的影响，仍然尚未发现。三是液态金属易与空气反应，在表面出现氧化膜。而氧化膜使得液态金属的表面极易吸附空气中的水分子，对界面强度损害极大，影响传感特性。目前的电子印刷、柔性电路板制备相关装置的气密性不够，液态金属仍然可以和空气接触，相关问题亟待解决。在频率重构领域，我国应加深液态金属自我重构机理研究，并着力开展液态金属天线设计。

2.2 我国对初创企业的原料采购、研发投入等扶持弱于发达国家，限制了液态金属产业化

液态金属的发展难度之一在于成本高，铟、镓等原材料都属于贵金属。2018年7月，国内现货精铟价格约为1 750～1 800元/kg，高纯镓的价格约为1 300～1 350元/kg。高成本将限制液态金属的大规模应用。此外，液态金属相关企业基本都属于初创型企业，业务处于研发、市场推广初期，研发投入较高，尚未形成规模化的收入。而在发达国家，出于对初创型企业的重视，相关的投资和补助政策很多。在德国，政府通过咨询服务、补贴、风险投资等多种方式扶持初创型企业。比如，德国联邦能源与经济部通过“投资—针对风险资本的补助”项目，给予风险投资人高达投资额20%的免税补贴，鼓励投资者向年轻的创新企业投资；针对中小微企业的研发支持也有很多，据统计，2007—2015年德国联邦政府为中小企业提供的研发资金从7.8亿欧元增至14.5亿欧元。在美国，政府一方面加快完善政策法规保障，出台《小企业法》《小企业投资法》《中小企业技术创新法案》等政策法规，引导扶持人才创办中小型科技企业；另一方面，出台《国内收入法》《经济复兴税法》和《投资收益税降低法案》等一系列鼓励投资的税收优惠政策，加强风险投资对创业者的支持。而在我国，这种初创企业补助尚未完善，如果单凭企业自身力量推广，困难较大。

2.3 由于下游用户对新成果存有疑虑，导致后续应用落后于发达国家

虽然我国已在液态金属电子印刷领域形成研发和产业化优势，但是与电子信息龙头企业的进一步合作并未如期而至。主要原因是下游用户对液态金属并不了解，认为贸然应用新材料会存在较大风险，宁愿选择牺牲部分材料性能维持现状。对于类似问题，欧盟建立企业、联盟、科研机构之间灵活的公司合作关系，采用共同研究的方式，由成员共同购买、组建和使用研究设施，推进下游用户参与技术研究。美国利用州政府、地方政府或非盈利组织作为第三方中介推动实验室与企业达成合作，运行经费由成员企业和政府共同承担，比例为五五开，避免了技术研发的资金限制，利益和风险也是共享的，一定程度上激发了企业创新的积极性。日本政府一方面通过立法的形式保障技术创新联盟的运行，另一方面给予了大量政府补助，为成员企业减轻负担，降低资金风险，从而调动更多企业参与技术创新的积极性。这种联合研发体的形式有效地促进了新材料的成果应用，而我国目前促进上下游供需对接仍不完善，制约了液态金属的应用。

3 发展建议

3.1 强化技术攻关：组建联合研发体，降低研发成本和风险

我国在液态金属领域拥有原创技术，但领域偏窄且优势并不突出，与发达国家相比还是有较大差距。建议国内从事液态金属研究的高校、科研院所组建联合研发体，实现资源和信息共享，重点突破液态金属薄膜制备、腐蚀与防护、不同环境下物理性能特征等核心关键技术，以及集成电路板功能结构一次成型等应用技术，从而缩小部分技术代差。在联合研发体建设初期，建议由政府主导，通过政府和企业共同管理，运营经费按照一定比例分摊，研发成果由参与出资的成员企业共享。政府通过立法等方式，确定研发体的运营合法性，保护成员企业的合法权益。

3.2 引导资本支持：推动各项税收优惠和补助落地，促进产业化进程

建议对符合高新技术企业条件的液态金属企业，全面享受各项税收优惠政策。筛选一批液态金属领域首批次重点新材料产品，从专项资金中予以重点奖励，扶持企业加快新产品、新装备研发，促进推广应用。建立经济主管部门、重点企业与金融机构定期沟通对接机制。由企业提出融資需求，政府部门引导金融机构信贷资金加大对重点项目、企业的支持力度，金融机构帮助企业及时了解金融产品和相关服务。由政府牵头，成立初创企业信用保证基金，为企业提供增信担保；完善信用保证基金的风险责任追究制度，防范金融风险。

3.3 加强供需对接：构建技术应用平台，健全完善协同创新体系

针对液态金属应用推广难的问题，建议以政府、协会等组织建设相关行业技术应用平台，加强技术应用的供需对接，将材料技术研发和下游应用高度契合。聚合产业链力量，加强材料企业和应用商的创新体系建设，开展新材料和终端产品委托开发、应用验证、知识产权共享等服务。完善保险补偿机制，对应用示范的风险控制和分担作出制度性安排；鼓励保险公司开发面向科技型孵化机构的保险产品，给予高技术门槛、高风险性的新材料初创企业风险补偿，助力液态金属迈过“死亡之谷”。