由中科院理化所液态金属与低温生物医学研究中心负责研制的液态金属热管理试验装置，自10月31日随梦天实验舱发射入轨，与中国空间站成功对接后，已于11月11日凌晨顺利完成在轨自检测试工作，即将开展一系列既定空间科学试验任务。
液态金属是一大类奇妙的材料，在常温下呈液态，可以像水一样自由流动，又可作为导电体，拥有许多常规材料所不具备的物理化学特性及用途（图1）。传统的液态金属如水银、钠钾合金因自身毒性和爆炸性风险，极大限制了研究和应用。近年来，随着安全无毒的常温液态金属如镓基、铋基金属及其合金乃至更多衍生材料的兴起，打开了极为广阔的应用空间。
图1 常温下的液态金属及其用作芯片冷却、印刷电子及3D打印的情形
液态金属最为重要的用途之一在于可以打破制约高端芯片、器件与系统工作瓶颈的“热障”。由于镓基、铋基类合金流体可在常温下流动和实现固液转换，热学性能优异，且在高达2300°C时仍处于液相，因而可承载的极端热量输运能力远超传统工质如水、甲醇、油等，这为高功率密度电子芯片、光电器件以及航空航天领域如卫星、激光、微波、通讯、能源、动力推进系统等的极端散热需求提供了全新的高效解决方案。
理化所液态金属团队自本世纪初于国内外首次提出液态金属冷却计算机芯片技术以来，先后研发出一系列商用化液态金属热管理产品，如液态金属CPU散热器、液态金属热界面材料、固液相变冷却器等。随着空间科学研究的深入，液态金属的微重力效应及其近10倍于水的高表面张力等成为关键问题。为澄清液态金属地面与空间应用特性的差异，理化所团队曾于2017年在位于中国云南宣威的世界第一高桥——北盘江大桥开展了液态金属模拟微重力试验研究，之后又尝试了搭载试验卫星的液态金属遥测工作，为后续空间科学探索打下了基础。此次研制的含多种热量传递模式的液态金属热管理试验装置，搭载于中国空间站梦天实验舱航天基础试验机柜（图2），目前已顺利完成全套系统在轨运行测试和功能自检，状态正常，接下来将陆续按计划开展相应的科学试验研究。
图2 搭载于航天基础试验机柜的液态金属热管理试验装置
理化所根据未来深空探测的需求，围绕液态金属热管理技术的三种典型方式，如界面导热、对流换热和相变控温等设计了系列前瞻性科学探索内容。按照所需功能和使用要求研制的液态金属热管理试验装置，由1套液态金属流动散热回路试验模块、1套低熔点金属相变控温试验模块和1台控制器（图3）组成。在梦天舱内陆续开展的液态金属流动换热技术和相变控温技术试验，将对空间环境液态金属热管理的一系列关键科学与应用技术问题做出验证，如微重力下低熔点金属快速熔化规律、电磁泵驱动金属流体特性、金属液固相转换膨胀缓冲问题、大电流直流供电技术、高热流密度加热技术和接口防泄漏工艺等，成果可望为我国未来开展深空探测用动力装备等提供液态金属热控解决方案所需的前期技术导入和数据支持。
图3 液态金属空间热管理试验装置内部结构组成
本次液态金属热管理试验装置由中科院理化所液态金属项目团队抓总研制。任务执行期间，团队充分学习并发扬了载人航天精神“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的品质，研究中心全体教职工和研究生全员参与，10多名党员带头冲锋在前，全情投入奋战，放弃了包括春节在内的所有节假日，在一百多天的连续拼搏实践中切身体验了航天任务对质量要求的严谨把控，使团队在协作配合、技术储备等方面得到了强化锻炼。
关闭窗口
APP下载
