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粉末冶金发汗材料

/powder metallurgy sweating materials/
最后更新 2023-03-29
浏览 160
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采用粉末冶金技术制备的一类由难熔金属和具有高相变热容、低熔点金属构成的散热材料。

英文名称
powder metallurgy sweating materials
所属学科
冶金工程

  这种材料由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。常用于制造耐高温的航天器器件和电器开关触点。

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”(pseudo-alloy)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。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。60年代初,R.E.马特[注]G.戈策尔[注]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。其他一些火箭有用钨铜喷管的。

  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。

按基体材料主要分为:①难熔金属基发汗材料。20世纪60年代,人们开始研究制备钨渗铜材料,钨铜(W/Cu)复合材料是由互不相溶的钨和铜两相组成的假合金。铜的加入改善了材料的机加工性能,提高了材料的强度和抗热震性能,而且材料在高温下工作时,铜熔化和蒸发吸收热量起到冷却作用。此后人们还研究开发了钨银(W/Ag)、钼铜(Mo/Cu)等材料,它们与W/Cu类似。钼的熔点比钨低,其机加工性能比W/Cu好,密度仅为W/Cu的50%~75%,因此常用于火箭、导弹的高温部件。②石墨基发汗材料。通用的高强石墨的脆性及对缺陷的敏感性、抗热震性及可靠性不足,于是人们开发了石墨渗铜材料。它是以粗粒级的高强石墨为基体材料,在高温下加压,使铜液渗透到石墨基体的开孔和微裂纹中,形成网状连续相,对材料能起到良好的增韧效果,使材料的强度和导热性能得到大幅提高,抗热震性也得到改善。③陶瓷基发汗材料。基于发汗冷却防热抗烧蚀机理的构想,以高熔点的碳化物、硼化物陶瓷作为基体,以高导热、低熔点和沸点的韧性金属作为发汗剂,在高温下金属相熔化、蒸发带走一部分热量,达到降温效果的复合材料。陶瓷基发汗材料具有密度小(约为钨铜的1/3)、耐高温、抗氧化等性能。

主要制备方法有:①熔渗法。制备自发汗冷却材料最常用的工艺。先将基体粉末压制成压坯,在高温下烧结,得到具有一定孔隙度的骨架,然后利用毛细管力或者外加压力使金属熔体渗入骨架的连通孔隙,得到所需的较致密的复合材料。②混粉烧结法。将高熔点基材粉末和低熔点金属粉末按照一定比例混合、压制,再经一定温度的烧结得到所需材料。自发汗材料的两相之间熔点相差很大,因此一般采用液相烧结。为了提高烧结致密度,经常向原料粉末中添加微量第三种金属元素,进行活化烧结。

  • 王力,张保红,林冰涛,等.自发汗冷却材料的研究现状.宇航材料工艺,2013,(3):19-24.
  • 吉洪亮,张长瑞,曹英斌.发汗冷却材料研究进展.材料导报,2008,(1):1-3.

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