Есть очень волшебный вид металла.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 Боуаборланд изучал законы спектральных линий металлических элементов одного и того же 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 медицинской сфере 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.