温卿提出了一个巧妙的方案:
“我们不直接让冷却剂接触通道壁,而是在通道内壁先沉积一层惰性薄膜——比如氮化硼薄膜。
这种薄膜化学性质稳定,导热性好,而且可以通过化学气相沉积均匀涂覆。”
“但氮化硼薄膜的附着力……”刘大姐担忧。
“所以需要特殊的表面处理。”
温卿调出工艺流程图。
“先用等离子体清洗通道内壁,再沉积一层过渡层,最后沉积氮化硼。
这个工艺,我们可以借鉴彩色电视显像管荧光粉涂覆的经验——都是在小尺度空间内进行精密涂覆。”
三个关键问题的解决方案,都涉及跨领域的知识和技术融合。
这正是温卿的优势——她的知识结构横跨多个学科,能在不同领域间架起桥梁。
方案确定后,团队进入了为期一个月的集成攻关。
第一道工序是梯度材料制备。
老陈的团队采用新的“纳米增强”方案,在最外层成功制备了含有纳米钨颗粒的氧化锆陶瓷层。
测试显示,这种材料的断裂韧性比纯氧化锆提高了40,而高温性能只下降5。
“完美的平衡。”老陈看着测试数据,难掩激动。
第二道工序是微通道加工。
这次不是简单的直线通道,而是根据计算出的热流分布,设计的非均匀三维网络——
热流高的区域通道密集,热流低的区域通道稀疏。
这样可以在保证冷却效果的前提下,尽量减少冷却剂消耗。
刘大姐改进了化学蚀刻工艺,采用“多步分区蚀刻”技术:
先蚀刻主干通道,再蚀刻支路通道,最后蚀刻渗出孔。
每步蚀刻都用不同的掩模和蚀刻参数,实现了复杂的通道结构。
最精密的工序是氮化硼薄膜沉积。
团队搭建了一个小型化学气相沉积系统,将样件放入反应室,通入氨气和硼烷,在高温下反应生成氮化硼。
通过精确控制气体流量和温度,在微通道内壁形成了厚度仅1微米的均匀薄膜。
沉积完成后,用电子显微镜检查薄膜质量。
图像显示,薄膜连续、致密,与基体结合良好。
小张用微型探针测试附着力——
薄膜在10兆帕的剪切应力下才剥离,远超使用要求。
智能控制系统是另一大难点。
温卿亲自编写了预测控制算法,小张负责硬件实现。
他们在样件表面布置了二十四个微型温度传感器,组成监测网络。
数据实时传输到“曙光-3”,经过计算后,输出控制指令给冷却剂注入阀。
整个系统就像一个精密的生命体:
皮肤(梯度材料)感知环境,血管(微通道网络)输送养分,大脑(控制系统)做出决策。
集成完成后,样件看起来依然是一块普通的黑色板子。
只有仔细看,才能在边缘看到微小的接口——冷却剂入口、传感器接口、控制线缆。
但团队知道,这块板子内部,是一个微型的高科技世界。
测试安排在高焓风洞的升级版——“龙吟-ii”装置上进行。
这个装置能模拟马赫数20、热流密度超过3000瓦/平方厘米的极端环境,是国内最先进的地面模拟设备。
测试那天,基地的领导几乎全来了。
钱老、孙研究员、还有其他项目组的负责人,把不大的控制室挤得满满当当。
样件安装在试验段中央,周围布满了测量仪器:
红外热像仪、光谱仪、热流计、高速摄像机……几十条数据线像蛛网般延伸出来。
温卿站在主控台前,最后一次检查系统状态。
“梯度材料表面温度监测正常。”
“微通道内压力监测正常。”
“冷却剂储罐压力正常。”
“控制系统自检通过。”
所有绿灯亮起。
“开始测试。”温卿下令。
第一阶段:被动模式。关闭冷却系统,测试梯度材料本身的性能。
高焓气流开始冲刷样件表面。
控制室的屏幕上,红外热像图迅速从暗红色变成亮黄色,再变成刺眼的亮白色——表面温度超过2200c。
“被动模式下,背面温度比现有材料低180c。”小张汇报,“梯度材料的优势明显。”
钱老点点头,在笔记本上记录。
第二阶段:主动模式。启动智能冷却系统。
控制系统开始工作。
屏幕上的热流分布图上,出现了几个红色区域——那是预测模型判断即将过热的区域。
“冷却剂注入,区域a、c、e。”温卿下令。
液氮通过微通道网络,精确注入到指定区域。
红外热像图上,那些红色区域迅速变成了蓝色——温度下降了800c以上。
更惊人的是数据:
在冷却剂注入后,整体热流传递效率下降了82。的热量真正传入了材料内部。
控制室里响起一片吸气声。
在这个温度下,内部结构可以保持完整,电子设备可以正常工作。
第三阶段:极限测试。将热流密度逐步提升,测试系统的极限能力。
“警报!区域g预测温度将超限!”
控制系统发出预警。
温卿盯着屏幕。
区域g位于样件中心,是热流最集中的位置。
预测模型显示,三秒后该区域温度将超过2500c,可能损坏材料。
“启动应急冷却模式。”她冷静下令。
应急模式不是局部冷却,而是全表面冷却。
液氮通过所有微通道同时注入,在样件表面形成完整的气膜隔热层。
红外热像图上,整个样件瞬间变成了深蓝色——表面温度降到500c以下。
热流计数据:传入内部的热量只有环境热流的7。
这个状态维持了十秒。
然后,热流密度继续上升。
系统依然稳定。
不是系统到极限了,而是测试装置到极限了——“龙吟-ii”的最大能力就是5500瓦。
测试结束。