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科学技术:发汗冷却材料


       发汗即出汗。发汗冷却材料就是材料处在高温环境下工作时,通过自身“出汗”以降低材料本身的温度,进而达到材料冷却的目的。一种特殊的散热材料,用于制造耐高温的航天器器件和电器开关触点。这种材料用高熔点金属构成多孔的基体,孔隙中渗入低熔点金属;在高温下工作时,低熔点金属蒸发吸热,借以冷却材料的表面。这是依据人体蒸发汗液吸热降低体温的原理设计成的,因而得名。
  发汗冷却技术是一种仿生技术,它是利用生物为了生存,对所处环境(温度)进行自身调节的一种本能。
  发汗冷却,有自发汗冷却和强迫发汗冷却。自发汗冷却多见于粉末冶金材料制品。是通过加入基材内的低熔点金属粉末颗粒,在高温下气化蒸发带走基材热量以达到材料降温的目的。而强迫发汗冷却,是一种复合冷却技术。由发汗冷却和气膜冷却两种冷却技术形式组成。首先把材料制成多孔材料部件。在工作过程中液体料在高压下从部件材料的“汗孔”渗出蒸发以带走部件基体的热量使部件降温,同时由于部件“汗孔”渗出的液体燃料在高温高速燃气流动力的作用下,在部件表面形成薄薄的一层冷气膜,这层冷气膜把高温燃烧的火焰与部件材料表面隔开。这就达到了部件材料的冷却降温和保证部件不被高温燃烧的火焰烧蚀的目的。确保了航天领域的用材需求。经过实践应用,经受住了考核,比较成功地完成了远程导弹和卫星运载工具的发射工作。
  从这种发汗材料的研制和推广使用过程中,扩展使用在石化领域的环保用材,如过滤、除尘部件的用材,核工业的溶盐反应堆的试样的提取;利用液体浸润的物理性能,在宇航领域的航天器上作太阳能电池上的气水分离器。太阳能电池为化学电池,此电池在工作过程中产生大量的气体,其中含有一定量水份。若不把水分分离出去,工作一定时间电池将会淹死。另外宇航员在空间工作的饮水也是个问题。气水分离器把汽体里的水分离出来,即保证了化学电池的正常工作,还可以提供给宇航员的部分饮水需要。
  金属发汗材料出现于20世纪30年代,最先获得应用的是用粉末冶金工艺制成的钨银“假合金”(pseudoal-loy)和钨铜“假合金”;两种金属各以独立、均匀的相存在,不形成合金相,所以被称为假合金。它们是以钨为基体,含有约20~50%的银或铜,用作高电压、大功率的电器开关的触点。在假合金中,存在于钨基毛细孔中的银或铜在高压电弧所产生的高温下液化蒸发,吸收了大量的电弧的能量,降低了电弧区温度,因而这种假合金的烧损量不仅大大低于低熔点金属银、铜触点的烧损量,而且低于熔点最高的金属(钨)的烧损量。当时未用“金属发汗材料”的名称,而称为“假合金”。50年代末,固体燃料火箭的发展,理论燃气温度和压强分别达到3593℃和0.703kgf/mm2,原来用的纯钨的喷管已不能满足这样的使用条件,当时的其他材料也无法满足要求。60年代初,马特(R.E.Matt)和戈策尔(G.Goetzel)等人根据“发汗冷却”的概念重新研究了钨银“假合金”,详细研究了制取工艺对材料性能的影响,以及发汗冷却、抗热震等机理。60年代中期,美国研制出钨银发汗材料(W-10Ag)火箭喷管,装备于“北极星”潜艇的导弹中(见图)。其他一些火箭有用钨铜喷管的。某些在温度稍低的条件下使用的部件,也采用了钼铜和钼。
  金属发汗材料只能用粉末冶金法制取。主要的工艺流程是:高熔点金属粉末─→压型─→烧结─→熔渗低熔点金属─→切削加工。粉末冶金工艺与旋压纯钨喷管工艺相比,程序简单,材料收得率高。少数高银(或高铜)电触头材料的工艺流程为:两种金属粉末─→混合─→压型─→烧结─→精整或加工。

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