材料百态

2023年8月18日，中国载人航天工程办公室召开载人航天工程空间应用与发展情况介绍会。“首次液态金属空间热管理在轨试验”作为近期在空间站开展的航天技术试验之一，获得了广泛关注。本次试验取得了哪些试验成果？未来将如何应用？

航天技术试验领域液态金属热管理试验装置由中国科学院理化技术研究所研制，安装于空间站梦天实验舱航天基础试验机柜内，采用低熔点、生物安全性高且化学特性稳定的铋基金属，在空间微重力环境下开展流动散热和相变控温技术的特性研究和试验验证。

液态金属热管理试验装置在航天基础试验机柜的位置

液态金属是什么？试验涉及哪些原理？

液态金属是一种不定型、可流动的液体金属，它是一系列低熔点金属以及合金材料的统称，在室温或较低的加热温度下呈液态并且兼具流动性，具有导电性强、导热率高、黏度低和液态温区广等特点。本次试验主要用到液态金属的两种散热原理，即对流换热和固液相变热控。

液态金属

对流换热就是液态金属流过发热的表面，吸收表面热量，使发热表面的温度维持在某一合适的值，吸收热量的液态金属会升温，在某一散热装置内将热量传给环境后恢复到初始温度，从而再次流过发热表面，实现循环流动；

固液相变热控是安装在发热表面上的相变热沉在吸收热量后熔化，从固态变成液态，熔化过程吸收热量但温度不变，从而将发热表面控制在某一合适的温度，当发热表面不再工作时，液态金属又逐渐凝固成固态，凝固过程温度不变但会释放热量，这些热量逐渐散到环境中，完全凝固后的金属又准备迎接发热表面的下一次工作，固液相变热控用的金属材料拥有较低的熔点，一般在100℃以下，可以按照需求调整。

试验取得哪些成果？

本次在轨试验中，对流散热试验模块获得了传热系数随流速的变化特性，主要针对小型流体回路的低流速应用。在此之前，本试验项目关注的低流速区域尚无可靠的传热系数特性数据供设计人员参考，本次试验结果填补了此项空白；

相变控温模块获得了金属材料熔化过程的温度随时间变化的曲线，熔化过程中材料的温度分布受重力影响明显，有重力时流体温度不同造成的密度差异会引发自然的流动，这种流动会促使液态金属内部温度更快速地趋于均匀；而太空环境重力极微弱，密度差不会引发自然流动，液态金属内部的温度分布就会出现相对不均匀，本次试验在装有金属相变材料的腔体内设置了增强传热结构，可以快速将热量传递到金属材料内部，使其熔化更加均匀，从而温度更加均匀，试验验证结果符合预期。

除了验证对流换热和相变控温技术，本次试验还验证了空间微重力环境下铋基金属受控熔化、膨胀缓冲、界面导热等关键技术。

关键技术术语知识帖

受控熔化：指金属按照预先设定的位置、顺序可控地依次熔化。

膨胀缓冲：指对金属固液变化时体积的变化做出缓冲，对于封闭的回路，这种体积变化如果不缓冲，会将管道撑裂。

界面导热：指两个固体表面接触时会有细微的缝隙，这些缝隙里残留的空气会阻碍热量在两个固体表面间传递，因此需要在缝隙中填充热界面材料，如液态金属，这种填充材料的导热能力远高于空气，能够使热量在两个固体表面间以较小的温差进行传递。

试验有哪些研究意义？

本项目是国际上首次采用生物安全性高的低熔点铋基合金，在轨开展液态金属空间热管理关键技术试验验证，相关成果可为未来空间核动力电源、高功率密度航空电子以及民用高功率器件等具有高效传热及散热需求的工程或产业化应用提供关键技术支撑。

未来期望在哪些领域开展应用？

本项目在液态金属对流散热和相变控温方面获得的成果主要针对高热流密度电子器件的持续性发热或间歇性高负荷发热等工程热控需求，随着人工智能技术、虚拟现实技术和高通量图像处理技术等领域的持续发展，具备这些功能的电气设备的功率密度持续增加，为保障电器元件在高负荷工况的工作性能，需要采用更加高效、简洁和可靠的散热技术，本项目涉及的两项液态金属散热技术就是针对这种工业需求开展的试验验证，在多个领域均有望发挥重大作用。

部分图片来源于网络

作者：中国科学院理化技术研究所 刘贵林

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