發(fā)汗冷卻材料

金屬發(fā)汗材料出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，最先獲得應(yīng)用的是用粉末冶金工藝制成的鎢銀“假合金”(pseudoal-loy)和鎢銅“假合金”；兩種金屬各以獨立、均勻的相存在，不形成合金相，所以被稱為假合金。它們是以鎢為基體，含有約20～50%的銀或銅，用作高電壓、大功率的電器開關(guān)的觸點。在假合金中，存在于鎢基毛細(xì)孔中的銀或銅在高壓電弧所產(chǎn)生的高溫下液化蒸發(fā)，吸收了大量的電弧的能量，降低了電弧區(qū)溫度，因而這種假合金的燒損量不僅大大低于低熔點金屬銀、銅觸點的燒損量，而且低于熔點最高的金屬(鎢)的燒損量。當(dāng)時未用“金屬發(fā)汗材料”的名稱，而稱為“假合金”。50年代末，固體燃料火箭的發(fā)展，理論燃?xì)鉁囟群蛪簭?qiáng)分別達(dá)到3593℃和0.703kgf/mm2，原來用的純鎢的噴管已不能滿足這樣的使用條件，當(dāng)時的其他材料也無法滿足要求。60年代初,馬特(R.E.Matt)和戈策爾(G.Goetzel)等人根據(jù)“發(fā)汗冷卻”的概念重新研究了鎢銀“假合金”，詳細(xì)研究了制取工藝對材料性能的影響，以及發(fā)汗冷卻、抗熱震等機(jī)理。60年代中期，美國研制出鎢銀發(fā)汗材料（W-10Ag）火箭噴管，裝備于“北極星”潛艇的導(dǎo)彈中（見圖）。其他一些火箭有用鎢銅噴管的。某些在溫度稍低的條件下使用的部件，也采用了鉬銅和鉬

金屬發(fā)汗材料必須由具有一定強(qiáng)度和耐高溫性能的高熔點金屬與具有較大熔化、蒸發(fā)潛熱的低熔點金屬組成。兩種金屬應(yīng)該既不互相固溶，又不形成金屬間化合物，而組成各自獨立的均勻兩相結(jié)構(gòu)。高熔點金屬構(gòu)成多孔骨架，它的毛細(xì)孔是均勻分布和連通的，以便充填低熔點金屬。因此，金屬發(fā)汗材料的性質(zhì)決定于：兩種金屬的特性，原始粉末的粒度和形狀，骨架的密度和強(qiáng)度，毛細(xì)孔的形狀、大小和分布狀況，毛細(xì)孔的體積百分比和低熔點金屬含量諸因素。常用的高熔點金屬有鎢、鉬；還可用釷鎢(thoriated tungsten)和碳化鎢(WC)代替鎢作為高熔點組分。低熔點金屬除銀和銅外，還曾用過銀銅合金、錫、鉛、鋅、鎂、Ag-15Μn等。典型的鎢銀發(fā)汗材料(W-10Ag)的性能如下：密度17.1g/cm3;20℃和1093℃溫度下的抗拉強(qiáng)度分別為56和21kgf/mm2,0.2%屈服強(qiáng)度分別為42和 16kgf/mm2；室溫下的彈性模量為29400kgf/mm2；并具有良好的抗高溫?zé)g性、抗熱震性和可切削加工性。W-10Cu的性能與此類似。

我們知道，動物在炎熱的夏天或作激烈運動時，渾身大汗淋漓。人的正常體溫在36—37℃之間，當(dāng)體溫超過這個范圍時就是病態(tài)。如果體溫超過42℃或低于32℃時將危及人的生命。然而人類生存的環(huán)境卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個范圍。在±50℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)人們?nèi)阅苷粘Ｉ?、工作和勞動。其原因就是人們除采取一些降溫或保溫措施以外，能自身通過出汗和毛孔收縮來達(dá)到調(diào)節(jié)體溫的目的，以確保人類的生存和正?；顒?。

發(fā)汗冷卻材料，是一種能“出汗”的金屬材料，這種金屬材料在使用于超高溫工作環(huán)境下仍具有良好的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，以滿足高溫工作部件的使用要求。

第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對所需材料——尤其高溫工作部件的材料的各種性能的要求越來越高，在航空領(lǐng)域高溫工作部件所使用的材料，工作環(huán)境溫度已接近材料的軟化點。在航天領(lǐng)域有些材料的工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的熔點（近3000℃），要求其有關(guān)性能仍然保持在一定的水平。這種工作部件，一般常規(guī)下的材料是不能滿足要求。材料科學(xué)研究工作者為了解決國家對材料的急需，除研制新型高溫特殊材料外，從上世紀(jì)六十年代初，對材料采用相應(yīng)冷卻技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高材料的使用溫度。如對流冷卻，氣膜冷卻，雖然能大大提高材料的使用溫度，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航天技術(shù)對用材的需要。而發(fā)汗冷卻技術(shù)經(jīng)過近20年的研制，于上世紀(jì)70年代末比較滿意地解決了航天對用材的需求。

發(fā)汗冷卻技術(shù)是一種仿生技術(shù)，它是利用生物為了生存，對所處環(huán)境（溫度）進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的一種本能。

發(fā)汗冷卻，有自發(fā)汗冷卻和強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻。自發(fā)汗冷卻多見于粉末冶金材料制品。是通過加入基材內(nèi)的低熔點金屬粉末顆粒，在高溫下氣化蒸發(fā)帶走基材熱量以達(dá)到材料降溫的目的。而強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻，是一種復(fù)合冷卻技術(shù)。由發(fā)汗冷卻和氣膜冷卻兩種冷卻技術(shù)形式組成。首先把材料制成多孔材料部件。在工作過程中液體料在高壓下從部件材料的“汗孔”滲出蒸發(fā)以帶走部件基體的熱量使部件降溫，同時由于部件“汗孔”滲出的液體燃料在高溫高速燃?xì)饬鲃恿Φ淖饔孟?，在部件表面形成薄薄的一層冷氣膜，這層冷氣膜把高溫燃燒的火焰與部件材料表面隔開。這就達(dá)到了部件材料的冷卻降溫和保證部件不被高溫燃燒的火焰燒蝕的目的。確保了航天領(lǐng)域的用材需求。經(jīng)過實踐應(yīng)用，經(jīng)受住了考核，比較成功地完成了遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和衛(wèi)星運載工具的發(fā)射工作。

從這種發(fā)汗材料的研制和推廣使用過程中，擴(kuò)展使用在石化領(lǐng)域的環(huán)保用材，如過濾、除塵部件的用材，核工業(yè)的溶鹽反應(yīng)堆的試樣的提??；利用液體浸潤的物理性能，在宇航領(lǐng)域的航天器上作太陽能電池上的氣水分離器。太陽能電池為化學(xué)電池，此電池在工作過程中產(chǎn)生大量的氣體，其中含有一定量水份。若不把水分分離出去，工作一定時間電池將會淹死。另外宇航員在空間工作的飲水也是個問題。氣水分離器把汽體里的水分離出來，即保證了化學(xué)電池的正常工作，還可以提供給宇航員的部分飲水需要。

金屬發(fā)汗材料只能用粉末冶金法制取。主要的工藝流程是：高熔點金屬粉末─→壓型─→燒結(jié)─→熔滲低熔點金屬─→切削加工。粉末冶金工藝與旋壓純鎢噴管工藝相比,程序簡單,材料收得率高。少數(shù)高銀(或高銅)電觸頭材料的工藝流程為：兩種金屬粉末─→混合─→壓型─→燒結(jié)─→精整或加工

一種特殊的散熱材料，用于制造耐高溫的航天器器件和電器開關(guān)觸點。這種材料用高熔點金屬構(gòu)成多孔的基體，孔隙中滲入低熔點金屬；在高溫下工作時，低熔點金屬蒸發(fā)吸熱，借以冷卻材料的表面。這是依據(jù)人體蒸發(fā)汗液吸熱降低體溫的原理設(shè)計成的，因而得名。

金屬發(fā)汗材料必須由具有一定強(qiáng)度和耐高溫性能的高熔點金屬與具有較大熔化、蒸發(fā)潛熱的低熔點金屬組成。兩種金屬應(yīng)該既不互相固溶，又不形成金屬間化合物，而組成各自獨立的均勻兩相結(jié)構(gòu)。高熔點金屬構(gòu)成多孔骨架，它的毛細(xì)孔是均勻分布和連通的，以便充填低熔點金屬。

金屬發(fā)汗材料的性質(zhì)決定于：兩種金屬的特性，原始粉末的粒度和形狀，骨架的密度和強(qiáng)度，毛細(xì)孔的形狀、大小和分布狀況，毛細(xì)孔的體積百分比和低熔點金屬含量諸因素。

典型的鎢銀發(fā)汗材料(W-10Ag)的性能如下：

密度17.1g/cm；

20℃和1093℃溫度下的抗拉強(qiáng)度分別為56和21kgf/mm；

0.2%屈服強(qiáng)度分別為42和 16kgf/mm；

室溫下的彈性模量29400kgf/mm；

具有良好的抗高溫?zé)g性、抗熱震性和可切削加工性 。

W-10Cu的性能與此類似。