但还有一个问题:
蚀刻形成的通道入口和出口,尺寸有微小偏差。
因为蚀刻是各向同性的,入口处会有轻微的倒角,导致实际孔径略大于设计值。
虽然误差只有几微米,但对于冷却剂流动来说,这会影响流量分配,进而影响冷却效果。
需要一种微米级的修整手段。
温卿想到了激光。
基地有一台老式的红宝石激光器,原本用于材料打标,功率只有10瓦,聚焦光斑直径约01毫米——对于50微米的孔来说,还是太大了。
但她发现了一个现象:
当激光以极短的脉冲工作时,材料不是熔化,而是直接气化,而且气化区域非常局限,几乎不产生热影响区。
“如果我们能让激光束旋转,”温卿提出一个新思路。
“让光斑在孔边缘快速扫描,就可以一点点修整孔径,而不损伤孔的内部结构。”
她设计了一个简单的旋转光学系统:
一个高速旋转的棱镜,将激光束偏转成一个旋转的锥形扫描。
通过控制旋转速度和激光脉冲频率,可以实现光斑在孔边缘的均匀扫描。
这个装置需要精密的机械和光学部件。
小张再次带队攻关,用车床加工出微米级精度的旋转轴,用光学平台搭建光路。
调试过程极其痛苦。
激光功率、脉冲频率、旋转速度、聚焦位置……几十个参数需要协调。
每次调试后都要在显微镜下测量孔径变化,调整参数,再来一次。
整整五天,团队几乎没合眼。
负责调试的小李因为长时间盯着显微镜,眼睛布满血丝,不得不滴眼药水继续工作。
第六天凌晨三点,最后一次调试。
激光脉冲以每秒一千次的频率发射,聚焦光斑在50微米孔的边缘快速旋转。
在显微镜的监控下,可以看到孔的边缘一点点变得规整,倒角逐渐消失。
十分钟后,激光停止。
测量孔径:498微米。几乎完美。
“可以了。”温卿的声音沙哑。
所有人都瘫坐在椅子上,连欢呼的力气都没有了。
完整的微通道网络样品终于制作完成。
这是一块边长5厘米、厚5毫米的方形试片,内部有一个完整的三维通道网络。
从入口到出口,通道总长度超过一米,但占据的体积只有不到一立方厘米
冷却效果测试安排在新建的高焓风洞进行。
试片安装在试验段,表面涂了高温示温漆——这种漆在不同温度下会变色,可以直观显示温度分布。
冷却剂选用液氮,沸点低,汽化吸热量大。
测试开始。
高焓气流冲刷试片表面,温度迅速升至2000c。示温漆从深蓝变成亮黄,表明表面温度已经超过1800c。
“注入冷却剂。”温卿下令。
液氮从入口注入,通过微通道网络迅速扩散。
在高速摄像机的记录下,可以看到试片表面突然出现一片深蓝色区域——那是冷却剂渗出形成的局部冷却区。
深蓝色区域快速扩大,几秒钟内覆盖了整个试片表面。
示温漆的颜色稳定在深蓝,对应的温度只有600c左右。
热流计的数据更加惊人:在冷却剂注入后,传入试片内部的热流值下降了75。
“效果……远超预期。”小张看着数据,难以置信。
传统被动防热,在这种热流条件下,材料背面温度会超过800c,可能导致内部结构失效。
这意味着,防热层的厚度可以减少一半以上,重量大幅减轻。
更关键的是,冷却剂的消耗量只有预估的60。
因为微通道网络分配均匀,冷却剂利用率高,没有浪费。
“技术路线验证成功。”温卿宣布。
实验室里爆发出压抑已久的欢呼声。
有人拥抱,有人流泪,有人只是瘫坐在椅子上,长时间紧绷的神经终于放松。
两个月的日夜奋战,无数次失败与重来,终于换来了这个结果。
梯度材料、微通道网络、智能冷却系统——三个子系统在各自领域取得突破后,温卿面临着一个更复杂的挑战:系统集成。
这就像把三个顶级的独奏家组成一个乐队,不仅要每个乐器都出色,更要它们和谐共鸣。
老陈、小张、刘大姐各自带着子系统的成果,聚集在温卿的办公室。
桌上摊开着三份技术报告,每一份都代表着数月的攻坚成果,但现在,它们需要融合成一个整体。
“问题在这里。”温卿在集成方案图上标注。
“梯度材料的最外层是纯陶瓷相,硬度高但脆。微通道网络的入口和出口正好开在这一层,冷却剂注入时会产生局部应力集中,可能导致陶瓷层开裂。”
老陈皱眉:
“这是材料本身的特性,陶瓷就是脆。
除非我们改变梯度设计,让最外层含有少量金属相,但那样高温性能会下降。”
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小张提出另一个问题:
“冷却剂的注入时机和流量控制。我们现在是基于表面温度传感器的反馈,但传感器响应有延迟。
当传感器检测到温度超标时,实际上那个区域的温度可能已经超过临界值一段时间了。”
刘大姐补充:
“还有冷却剂本身的腐蚀性问题。液氮在高温下会与某些材料反应,长期使用可能堵塞微通道。”
问题一个接一个,像一张密密的网。
温卿没有急于给出答案。
她让每个人详细阐述自己子系统的技术细节、性能边界、潜在风险。
整整两天,团队都在进行这种“技术交底”。
第三天,她拿出了一套全新的集成方案。
“梯度材料的最外层,我们不采用纯陶瓷,而是一种‘准陶瓷’。”
温卿在黑板上画出分子结构示意图。
“在陶瓷基体中,分散纳米级的金属颗粒。这些颗粒尺寸只有几十纳米,不会显着影响高温性能,但能提供微裂纹偏转和桥接效应,提高韧性。”
老陈眼睛一亮:“纳米复合材料!这个思路……理论上可行,但制备难度极大。”
“所以我们只用在最外层,厚度不超过100微米。”
温卿说,“而且我已经设计了制备方案:用电子束蒸发,在陶瓷表面沉积一层纳米金属薄膜,然后通过激光退火让金属颗粒嵌入陶瓷晶界。”
她转向小张:
“温度传感延迟问题,我们用‘预测控制’解决。不是等温度超标才动作,而是根据实时热流数据和材料热响应模型。
预测未来几秒的温度变化趋势。在预测到将超标时,就提前启动冷却。”
这需要复杂的算法和高速计算。
小张立即意识到难度:“要建立准确的材料热响应模型,还要实时求解……计算量会很大。”
“‘曙光-3’可以承担。”温卿早有准备。
“我已经和周若兰协调,专门为我们优化了一个计算节点,实时计算能力足够。”
刘大姐的问题最难解决。
冷却剂腐蚀是化学问题,涉及复杂的界面反应。