热管实验台。 工程热物理所供图

■ 中国科学报记者 陈欢欢

手机、航天器、青藏铁路有什么共同点？答案是——都需要保持温度。一旦热量散不出去，它们就会变形、失效。

科学家用以解决这一关键问题的高性能传热元件叫作“热管”。1964年，国际首篇热管论文发表。著名传热学家、美国国家工程院院士田长霖认为，这篇仅2页的论文产生了“如原子能一般巨大的影响”。

我国的热管研究也不甘人后。早在1968年，中国科学院就研制成功第一根热管样件。

有热量的地方就有热管

热管依靠内部液体的相变和蒸汽流动来传热，等效热导率可以达到金属的成百上千甚至上万倍，是任何已知材料无法比拟的。热管发展至今已广泛应用于各个领域，走进千家万户。

最早的热管研究可以追溯到1942年，美国通用发动机公司工程师Gauglar提出一种新的强化传热元件，并申请了专利。但当时各国都忙于“二战”，该专利因此沉寂了近20年，直到1964年才首次在洛斯阿拉莫斯国家实验室制造出来，被命名为热管。

此前，业界一直认为，通过导热进行较长距离的传热是不经济的，但热管的出现彻底改变了这一认知，随后迅速兴起。

“最直接的原因是当时美苏航天竞赛，没有热管解决温控问题，航天器就发展不下去。”中国航天科技集团第十一研究院研究员曲伟告诉《中国科学报》，热管对航天发展的推动作用极大。

在我国的“探月”“探火”工程中，也有热管工作的身影。曲伟指出，月球表面在日照时能达到120℃，月夜时则低至-100℃，温差巨大。因此从探月一期工程开始，我国就着手研究利用热管耦合相变材料，在白天储能、夜晚释能，防止航天器被冻坏。如今，小到空间站里的计算机，大到载人飞船，都需要热管等技术保证运行安全。

2000年，意义深远的青藏铁路工程上马。当时碰到一大难题——冻土层在冬天时会冻结膨胀，到夏季又融化沉降，导致铁路路基扭曲变形。最后，我国通过在地下埋入热管解决了这一世界性难题。

此外，随着人工智能算力的爆发式增长，大型数据中心的功耗和发热也成为一大难题。“热管在解决这类小空间散热问题中具有革命性的潜力。”曲伟认为。

如今，热管的应用正在向极端方向发展，如应用于超高温、超低温等特殊场合。例如，热管手术刀可以在-100℃条件下操作，利用低温对病灶进行治疗。

同时，热管也可以超越“管”状，发展成“奇形怪状”。例如，为了节省空间，用在飞行器上的热管已经演变成薄层结构的“热片”。

“所有有热量的地方，都有热管的应用空间。”曲伟说。

零的突破

曲伟的老师、中国科学院工程热物理研究所（以下简称工程热物理所）研究员马同泽是我国热管技术研究的开创者之一。

1957年11月，刚从哈尔滨工业大学研究生毕业的马同泽，和其他7名研究生一起，由中国科学院动力研究室（工程热物理所前身）派往苏联学习，师从著名传热学家米海耶夫。1960年，马同泽获得副博士学位后回国。

1964年，国际首篇热管论文问世，一石激起千层浪。中国科学院得到消息后，立即开始了文献调研和原理样件研制工作。

据工程热物理所研究员刘登瀛回忆，他们先研制了简单的水热管，即以水为工作介质的热管，目的是检测其是否具有热管特性。1968年，我国第一根水热管原理样件研制成功，测试结果证实了前期的设想，即具有明显的热管特征，这标志着我国热管原理研究取得了重大突破。之后，研究室开始集中攻关难度更大的液态金属钠高温热管。

所谓钠热管，即以液态金属钠作为工作介质的热管。同水相比，液态金属钠具有许多优点，如在高温下具有很好的稳定性、导热性等，因此其应用更为广泛。但钠热管研制工艺十分复杂，实验难度远高于水热管。

由于当时国内的相关资料极少，没有多少经验可供借鉴，马同泽带领蒋章焰、赵嘉琪、张正芳、霍秀和等人克服重重困难，认真分析有限的国外资料，开展了艰苦的探索。他们自己动手，边学习、边实验，先后建成多个系统性实验装置，并组建了我国第一个热管研究团体——热管研究组。

没过多久，热管研究组就接到一项重大任务——为我国地球同步卫星的原子能电源研制钠热管。据悉，这种电源采用热离子发电机，发电效率为20%，剩余80%的能量都要通过热管向空间辐射排散。

大家以极大的热情投入到这项工作中。在全力以赴的攻关下，1972年9月，我国第一根液态金属钠高温热管测试成功，实现了在热管技术领域零的突破。此后，热管研究组再接再厉，又研制出3种结构的钠热管，均达到或超过任务要求，圆满完成国家任务。

在满足国防需求的同时，为了将钠热管尽快应用到一般工业中，热管研究组与七机部502所合作，研制了用于外延炉的均温用高温钠热管，使得外延炉的温差由±0.5℃降低到±0.02℃~0.03℃，接近当时的世界先进水平。

20世纪70年代，石油危机爆发，导致国外对工业余热回收的需求增加，钢-水热管继而成为研究热点。我国及时跟上，经过几年攻关，1983年，工程热物理所研制的钢-水热管成功应用于兰州炼油厂苯烃化炉空气预热器项目，并在全国推广。1985年，“碳钢-水热管和换热器及其余热回收中的应用”项目获国家科技进步奖二等奖。

据曲伟介绍，20世纪80年代是我国热管技术发展的井喷期，多项科技成果在工业部门得到应用；21世纪，我国进入技术创新期，涌现出很多新器件。

“热管技术不仅成本低，还能解决大问题，对我国电子信息、航天、军工等高精尖技术的推动作用巨大。”曲伟说。

令学生怀念的“热管第一人”

1999年，已经在哈尔滨工业大学当了5年讲师的曲伟，来到工程热物理所从事博士后研究工作，师从马同泽。

曲伟告诉记者：“马老师做热管研究获得过3次国家级奖项，这是业内绝无仅有的，学术圈公认他为中国热管第一人，代表了中国科学院的水平。他不仅学术造诣高，人品也好，平易近人。”

曲伟回忆，马同泽谦虚谨慎，从来不以自己得过国家级奖项而自居，但有一件事却令他很自豪，那就是与毛主席同一天生日，因此得名“同泽”。在做科研时，他也同毛主席一样，注重理论和实践相结合。

例如，为了验证碳钢-水热管的寿命能否达到5年，马同泽带领大家每天记录上百根热管的数据，持续6年之久。

马同泽已于2015年去世，回忆起这位与自己相处了12年的恩师，曲伟满怀感激：“马老师非常重视训练学生的基本功，要求每名研究生熟练掌握各种仪表，知道不同仪器的长处和短板。每个工作细节，马老师都带领学生亲力亲为，比如热电偶都是我们自己焊的，焊完后，马老师会挨个儿测量误差。”

在生活中，马同泽也非常关心学生。曲伟至今记得，当时研究所条件有限，学生洗澡存在一定困难，马同泽多次找所领导反映，最终解决了学生公寓洗澡问题。

在学生眼中，马同泽是非常细心的“大科学家”。有一次，实验室搬家时，一支U型管水银计不小心被打碎了，马同泽立刻拿铲子和容器将水银收集起来密封保存。

对于招摇撞骗的学术骗子，马同泽则态度鲜明。20世纪90年代，有人宣扬ZGM介质管中蕴含40多种微量元素，有神乎其神的功效，吸引了许多投资方为其注资，还到处举办研讨会，邀请各大高校的老师参会“站台”。对此，马同泽予以坚决抵制，还带头写了一封公开信揭露这一伪科学的真面目，丝毫不怕得罪人。

虽然斯人已逝，但马同泽培养的大量人才，仍然活跃在热管领域，践行着他的科学思想，成为相关领域的领军人物和骨干，在各行各业发光发热。

《中国科学报》 (2024-07-26 第1版 要闻)