Есть очень волшебный металл. В повседневной жизни он появляется в жидкой форме, подобно ртути. Если уронить ее на банку, вы с удивлением обнаружите, что бутылка становится хрупкой, как бумага, и разобьется от одного лишь прикосновения. Кроме того, падение его на такие металлы, как медь и железо, также вызывает такую ситуацию, которую можно назвать «металлическим терминатором». Что заставляет его иметь такие характеристики? Сегодня мы войдем в мир металлического галлия.
1、Какой элементметаллический галлий
Элемент галлий находится в четвертом периоде IIIA группы периодической таблицы элементов. Температура плавления чистого галлия очень низкая, всего 29,78 ℃, но температура кипения достигает 2204,8 ℃. Летом большая его часть находится в жидком виде и может быть растоплена, если положить ее на ладонь. Из вышеперечисленных свойств мы можем понять, что галлий может разъедать другие металлы именно из-за своей низкой температуры плавления. Жидкий галлий образует сплавы с другими металлами, что является магическим явлением, упомянутым ранее. Его содержание в земной коре составляет всего около 0,001%, а его существование было обнаружено только 140 лет назад. В 1871 году русский химик Менделеев обобщил таблицу Менделеева и предсказал, что после цинка ниже алюминия существует еще элемент, который имеет сходные с алюминием свойства и называется «алюминиеподобным элементом». В 1875 году, когда французский учёный Боаборланд изучал законы спектральных линий металлических элементов одного семейства, он обнаружил странную светлую полосу в сфалерите (ZnS), поэтому он нашёл этот «алюминиеподобный элемент», а затем назвал его в честь своей родины. Франция (Галлия, латинская Галлия) с символом Ga для обозначения этого элемента, поэтому галлий стал первым элементом, предсказанным в истории открытия химических элементов, а затем нашел подтвержденный элемент в экспериментах.
Галлий в основном распространен в Китае, Германии, Франции, Австралии, Казахстане и других странах мира, из которых запасы галлия Китая составляют более 95% от общемировых запасов, в основном распределены в Шаньси, Гуйчжоу, Юньнани, Хэнани, Гуанси. и других местах [1]. Что касается типа распределения, Шаньси, Шаньдун и другие места в основном существуют в бокситах, Юньнань и другие места в оловянной руде, а Хунань и другие места в основном существуют в сфалерите. В начале открытия металлического галлия из-за отсутствия соответствующих исследований по его применению люди всегда считали, что это металл с низкой практичностью. Однако с непрерывным развитием информационных технологий и эпохой новой энергетики и высоких технологий металлический галлий привлек внимание как важный материал в информационной сфере, и спрос на него также значительно увеличился.
2. Области применения металлического галлия.
1. Полупроводниковая область.
Галлий в основном используется в области полупроводниковых материалов, причем наиболее широко используется материал из арсенида галлия (GaAs), а технология является наиболее развитой. В качестве носителя информации полупроводниковые материалы составляют от 80% до 85% общего потребления галлия, в основном используемого в беспроводной связи. Усилители мощности на арсениде галлия могут увеличить скорость передачи данных в 100 раз по сравнению с сетями 4G, что может сыграть важную роль в наступлении эры 5G. Кроме того, галлий можно использовать в качестве теплоотводящей среды в полупроводниковых устройствах благодаря его термическим характеристикам, низкой температуре плавления, высокой теплопроводности и хорошим характеристикам текучести. Применение металлического галлия в виде сплава на основе галлия в материалах термоинтерфейса может улучшить способность рассеивания тепла и эффективность электронных компонентов.
2. Солнечные батареи
Разработка солнечных элементов прошла путь от первых солнечных элементов из монокристаллического кремния до тонкопленочных элементов из поликристаллического кремния. Из-за высокой стоимости тонкопленочных элементов из поликристаллического кремния исследователи обнаружили тонкие пленочные элементы из меди, индия, галлия и селена (CIGS) в полупроводниковых материалах [3]. Ячейки CIGS имеют такие преимущества, как низкие производственные затраты, крупносерийное производство и высокая скорость фотоэлектрического преобразования, что имеет широкие перспективы развития. Во-вторых, солнечные элементы на основе арсенида галлия имеют значительные преимущества по эффективности преобразования по сравнению с тонкопленочными элементами, изготовленными из других материалов. Однако из-за высокой стоимости производства материалов из арсенида галлия в настоящее время они в основном используются в аэрокосмической и военной областях.
3. Водородная энергетика
С растущим осознанием энергетического кризиса во всем мире люди стремятся заменить невозобновляемые источники энергии, среди которых выделяется водородная энергетика. Однако высокая стоимость и низкая безопасность хранения и транспортировки водорода сдерживают развитие этой технологии. Как наиболее распространенный металлический элемент в земной коре, алюминий при определенных условиях может реагировать с водой с образованием водорода, который является идеальным материалом для хранения водорода. Однако из-за легкого окисления поверхности металлического алюминия с образованием плотной пленки оксида алюминия. , который ингибирует реакцию, исследователи обнаружили, что металлический галлий с низкой температурой плавления может образовывать сплав с алюминием, а галлий может растворять поверхностное покрытие из оксида алюминия, позволяя протекать реакции [4], а металлический галлий можно перерабатывать и использовать повторно. . Использование материалов из сплавов алюминия и галлия в значительной степени решает проблему быстрого приготовления, безопасного хранения и транспортировки водородной энергии, повышая безопасность, экономику и защиту окружающей среды.
4. Медицинская сфера
Галлий широко используется в медицине из-за его уникальных радиационных свойств, которые можно использовать для визуализации и подавления злокачественных опухолей. Соединения галлия обладают очевидной противогрибковой и антибактериальной активностью и в конечном итоге обеспечивают стерилизацию, вмешиваясь в метаболизм бактерий. А сплавы галлия можно использовать для изготовления термометров, таких как галлий-индий-оловянные термометры, новый тип жидкометаллического сплава, который является безопасным, нетоксичным и экологически чистым и может использоваться для замены токсичных ртутных термометров. Кроме того, определенная доля сплава на основе галлия заменяет традиционную серебряную амальгаму и используется в клинических целях в качестве нового стоматологического пломбировочного материала.
3、 Перспективы
Хотя Китай является одним из основных производителей галлия в мире, в галлиевой промышленности Китая все еще существует много проблем. Из-за низкого содержания галлия как сопутствующего минерала предприятия по производству галлия разбросаны, а в производственной цепочке имеются слабые звенья. Процесс добычи имеет серьезное загрязнение окружающей среды, а мощности по производству галлия высокой чистоты относительно слабы, в основном полагаясь на экспорт грубого галлия по низким ценам и импорт рафинированного галлия по высоким ценам. Однако с развитием науки и техники, повышением уровня жизни людей и широким применением галлия в сферах информации и энергетики спрос на галлий также будет быстро возрастать. Относительно отсталая технология производства галлия высокой чистоты неизбежно будет ограничивать промышленное развитие Китая. Развитие новых технологий имеет большое значение для достижения качественного развития науки и техники в Китае.
Время публикации: 17 мая 2023 г.