熱管實驗台。 工程熱物理所供圖
■ 中國科學報記者 陳歡歡
手機、航天器、青藏鐵路有什麽共同點？答案是——都需要保持溫度。一旦熱量散不出去，它們就會變形、失效。
科學家用以解決這一關鍵問題的高性能傳熱元件叫作“熱管”。1964年，國際首篇熱管論文發表。著名傳熱學家、美國國家工程院院士田長霖認爲，這篇僅2頁的論文産生了“如原子能一般巨大的影響”。
我國的熱管研究也不甘人後。早在1968年，中國科學院就研制成功第一根熱管樣件。
有熱量的地方就有熱管
熱管依靠内部液體的相變和蒸汽流動來傳熱，等效熱導率可以達到金屬的成百上千甚至上萬倍，是任何已知材料無法比拟的。熱管發展至今已廣泛應用于各個領域，走進千家萬戶。
最早的熱管研究可以追溯到1942年，美國通用發動機公司工程師Gauglar提出一種新的強化傳熱元件，并申請了專利。但當時各國都忙于“二戰”，該專利因此沉寂了近20年，直到1964年才首次在洛斯阿拉莫斯國家實驗室制造出來，被命名爲熱管。
此前，業界一直認爲，通過導熱進行較長距離的傳熱是不經濟的，但熱管的出現徹底改變了這一認知，随後迅速興起。
“最直接的原因是當時美蘇航天競賽，沒有熱管解決溫控問題，航天器就發展不下去。”中國航天科技集團第十一研究院研究員曲偉告訴《中國科學報》，熱管對航天發展的推動作用極大。
在我國的“探月”“探火”工程中，也有熱管工作的身影。曲偉指出，月球表面在日照時能達到120℃，月夜時則低至-100℃，溫差巨大。因此從探月一期工程開始，我國就着手研究利用熱管耦合相變材料，在白天儲能、夜晚釋能，防止航天器被凍壞。如今，小到空間站裏的計算機，大到載人飛船，都需要熱管等技術保證運行安全。
2000年，意義深遠的青藏鐵路工程上馬。當時碰到一大難題——凍土層在冬天時會凍結膨脹，到夏季又融化沉降，導緻鐵路路基扭曲變形。最後，我國通過在地下埋入熱管解決了這一世界性難題。
此外，随着人工智能算力的爆發式增長，大型數據中心的功耗和發熱也成爲一大難題。“熱管在解決這類小空間散熱問題中具有革命性的潛力。”曲偉認爲。
如今，熱管的應用正在向極端方向發展，如應用于超高溫、超低溫等特殊場合。例如，熱管手術刀可以在-100℃條件下操作，利用低溫對病竈進行治療。
同時，熱管也可以超越“管”狀，發展成“奇形怪狀”。例如，爲了節省空間，用在飛行器上的熱管已經演變成薄層結構的“熱片”。
“所有有熱量的地方，都有熱管的應用空間。”曲偉說。
零的突破
曲偉的老師、中國科學院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）研究員馬同澤是我國熱管技術研究的開創者之一。
1957年11月，剛從哈爾濱工業大學研究生畢業的馬同澤，和其他7名研究生一起，由中國科學院動力研究室（工程熱物理所前身）派往蘇聯學習，師從著名傳熱學家米海耶夫。1960年，馬同澤獲得副博士學位後回國。
1964年，國際首篇熱管論文問世，一石激起千層浪。中國科學院得到消息後，立即開始了文獻調研和原理樣件研制工作。
據工程熱物理所研究員劉登瀛回憶，他們先研制了簡單的水熱管，即以水爲工作介質的熱管，目的是檢測其是否具有熱管特性。1968年，我國第一根水熱管原理樣件研制成功，測試結果證實了前期的設想，即具有明顯的熱管特征，這标志着我國熱管原理研究取得了重大突破。之後，研究室開始集中攻關難度更大的液态金屬鈉高溫熱管。
所謂鈉熱管，即以液态金屬鈉作爲工作介質的熱管。同水相比，液态金屬鈉具有許多優點，如在高溫下具有很好的穩定性、導熱性等，因此其應用更爲廣泛。但鈉熱管研制工藝十分複雜，實驗難度遠高于水熱管。
由于當時國内的相關資料極少，沒有多少經驗可供借鑒，馬同澤帶領蔣章焰、趙嘉琪、張正芳、霍秀和等人克服重重困難，認真分析有限的國外資料，開展了艱苦的探索。他們自己動手，邊學習、邊實驗，先後建成多個系統性實驗裝置，并組建了我國第一個熱管研究團體——熱管研究組。
沒過多久，熱管研究組就接到一項重大任務——爲我國地球同步衛星的原子能電源研制鈉熱管。據悉，這種電源采用熱離子發電機，發電效率爲20%，剩餘80%的能量都要通過熱管向空間輻射排散。
大家以極大的熱情投入到這項工作中。在全力以赴的攻關下，1972年9月，我國第一根液态金屬鈉高溫熱管測試成功，實現了在熱管技術領域零的突破。此後，熱管研究組再接再厲，又研制出3種結構的鈉熱管，均達到或超過任務要求，圓滿完成國家任務。
在滿足國防需求的同時，爲了将鈉熱管盡快應用到一般工業中，熱管研究組與七機部502所合作，研制了用于外延爐的均溫用高溫鈉熱管，使得外延爐的溫差由±0.5℃降低到±0.02℃~0.03℃，接近當時的世界先進水平。
20世紀70年代，石油危機爆發，導緻國外對工業餘熱回收的需求增加，鋼-水熱管繼而成爲研究熱點。我國及時跟上，經過幾年攻關，1983年，工程熱物理所研制的鋼-水熱管成功應用于蘭州煉油廠苯烴化爐空氣預熱器項目，并在全國推廣。1985年，“碳鋼-水熱管和換熱器及其餘熱回收中的應用”項目獲國家科技進步獎二等獎。
據曲偉介紹，20世紀80年代是我國熱管技術發展的井噴期，多項科技成果在工業部門得到應用；21世紀，我國進入技術創新期，湧現出很多新器件。
“熱管技術不僅成本低，還能解決大問題，對我國電子信息、航天、軍工等高精尖技術的推動作用巨大。”曲偉說。
令學生懷念的“熱管第一人”
1999年，已經在哈爾濱工業大學當了5年講師的曲偉，來到工程熱物理所從事博士後研究工作，師從馬同澤。
曲偉告訴記者：“馬老師做熱管研究獲得過3次國家級獎項，這是業内絕無僅有的，學術圈公認他爲中國熱管第一人，代表了中國科學院的水平。他不僅學術造詣高，人品也好，平易近人。”
曲偉回憶，馬同澤謙虛謹慎，從來不以自己得過國家級獎項而自居，但有一件事卻令他很自豪，那就是與毛主席同一天生日，因此得名“同澤”。在做科研時，他也同毛主席一樣，注重理論和實踐相結合。
例如，爲了驗證碳鋼-水熱管的壽命能否達到5年，馬同澤帶領大家每天記錄上百根熱管的數據，持續6年之久。
馬同澤已于2015年去世，回憶起這位與自己相處了12年的恩師，曲偉滿懷感激：“馬老師非常重視訓練學生的基本功，要求每名研究生熟練掌握各種儀表，知道不同儀器的長處和短闆。每個工作細節，馬老師都帶領學生親力親爲，比如熱電偶都是我們自己焊的，焊完後，馬老師會挨個兒測量誤差。”
在生活中，馬同澤也非常關心學生。曲偉至今記得，當時研究所條件有限，學生洗澡存在一定困難，馬同澤多次找所領導反映，最終解決了學生公寓洗澡問題。
在學生眼中，馬同澤是非常細心的“大科學家”。有一次，實驗室搬家時，一支U型管水銀計不小心被打碎了，馬同澤立刻拿鏟子和容器将水銀收集起來密封保存。
對于招搖撞騙的學術騙子，馬同澤則态度鮮明。20世紀90年代，有人宣揚ZGM介質管中蘊含40多種微量元素，有神乎其神的功效，吸引了許多投資方爲其注資，還到處舉辦研讨會，邀請各大高校的老師參會“站台”。對此，馬同澤予以堅決抵制，還帶頭寫了一封公開信揭露這一僞科學的真面目，絲毫不怕得罪人。
雖然斯人已逝，但馬同澤培養的大量人才，仍然活躍在熱管領域，踐行着他的科學思想，成爲相關領域的領軍人物和骨幹，在各行各業發光發熱。
《中國科學報》 (2024-07-26 第1版 要聞)
