2022-03-26 04:07:37

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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。

基本信息

  • 中文名称

    发汗冷却材料

  • 环境

    高温环境下

  • 目的

    降低材料本身的温度

  • 用途

    制造耐高温的航天器器件

折叠 编辑本段 技术的由来

我们知道,动物在炎热的夏天或作激烈运动时,浑身大汗淋漓。人的正常体温在36-37℃之间,当体温超过这个范围时就是病态。如果体温超过42℃或低于32℃时将危及人的生命。然而人类生存的环境却远远超出这个范围。在±50℃的环境温度范围内人们仍能照常生活、工作和劳动。其原因就是人们除采取一些降温或保温措施以外,能自身通过出汗和毛孔收缩来达到调节体温的目的,以确保人类的生存和正常活动。

发汗冷却材料,是一种能"出汗"的金属材料,这种金属材料在使用于超高温工作环境下仍具有良好的机械性能和物理化学性能,以满足高温工作部件的使用要求。

第二次世界大战以后,随着航空航天技术的发展,对所需材料--尤其高温工作部件的材料的各种性能的要求越来越高,在航空领域高温工作部件所使用的材料,工作环境温度已接近材料的软化点。在航天领域有些材料的工作温度远远超过材料的熔点(近3000℃),要求其有关性能仍然保持在一定的水平。这种工作部件,一般常规下的材料是不能满足要求。材料科学研究工作者为了解决国家对材料的急需,除研制新型高温特殊材料外,从上世纪六十年代初,对材料采用相应冷却技术进行了研究,以提高材料的使用温度。如对流冷却,气膜冷却,虽然能大大提高材料的使用温度,但远远不能满足航天技术对用材的需要。而发汗冷却技术经过近20年的研制,于上世纪70年代末比较满意地解决了航天对用材的需求。

折叠 编辑本段 基本原理

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。

折叠 编辑本段 材料

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

折叠 编辑本段 材料的组成

金属发汗材料必须由具有一定强度和耐高温性能的高熔点金属与具有较大熔化、蒸发潜热的低熔点金属组成。两种金属应该既不互相固溶,又不形成金属间化合物,而组成各自独立的均匀两相结构。高熔点金属构成多孔骨架,它的毛细孔是均匀分布和连通的,以便充填低熔点金属。因此,金属发汗材料的性质决定于:两种金属的特性,原始粉末的粒度和形状,骨架的密度和强度,毛细孔的形状、大小和分布状况,毛细孔的体积百分比和低熔点金属含量诸因素。常用的高熔点金属有钨、钼;还可用钍钨(thoriated tungsten)和碳化钨(WC)代替钨作为高熔点组分。低熔点金属除银和铜外,还曾用过银铜合金、锡、铅、锌、镁、Ag-15Μn等。典型的钨银发汗材料(W-10Ag)的性能如下:密度17.1g/cm3;20℃和1093℃温度下的抗拉强度分别为56和21kgf/mm2,0.2%屈服强度分别为42和 16kgf/mm2;室温下的弹性模量为29400kgf/mm2;并具有良好的抗高温烧蚀性、抗热震性和可切削加工性。W-10Cu的性能与此类似。

折叠 编辑本段 工艺流程

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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