我國第一根熱管誕生記

手機、航天器、青藏鐵路三者有什么共同點？答案是都需要保持溫度。一旦熱量散不出去，就會導致變形、失效。

科學家用以解決這一關鍵問題的高性能傳熱元件叫做“熱管”。1964年，國際首篇熱管論文發表，著名傳熱學家、美國工程院院士田長霖認為，這篇僅2頁的論文隨即產生了“如原子能一般巨大的影響”。

而我國的熱管研究也不甘人后，早在1968年，中國科學院就研制成功第一根熱管樣件。

有熱的地方就有熱管

熱管是靠內部液體的相變和蒸汽流動來傳熱，其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擬的。發展至今，熱管已廣泛應用于各領域，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，命名為熱管。

此前，業界一直認為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，因此迅速興起。

“最直接的原因是當時美蘇航天競賽，沒有熱管去解決溫控問題，航天器發展不下去了。”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其巨大。

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，就研究利用熱管耦合相變材料，在白天儲能、夜晚釋能，防止航天器凍壞。如今，小到空間站里的計算機，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。當時碰到的一大難題是：凍土層在冬天時會凍結膨脹，到夏季又融化沉降，導致鐵路路基扭曲變形。最后通過在地下埋入熱管解決了這一世界性難題。

此外，隨著AI算力的爆發式增長，大型數據中心的功耗和發熱也成為世界性問題。“熱管在解決這類小空間散熱問題中具有革命性的潛力。”曲偉認為。

如今，熱管的應用正在向極端方向發展，如超高溫、超低溫等特殊場合。例如，熱管手術刀可以在-100℃條件下操作，利用低溫對病灶進行治療。

同時，熱管也可以超越“管”狀，發展成“奇形怪狀”。例如用在飛行器上，為了節省空間，熱管已經演變成薄層結構的“熱片”。

“所有有熱的地方，都有熱管的蓬勃應用。”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后回國。

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后，隨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，即以水為工作介質的熱管，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，具有明確的熱管特征，標志著我國熱管原理研究取得重大突破。之后，研究室開始集中攻關難度更大的液態金屬鈉高溫熱管。

所謂鈉熱管，即以液態金屬鈉作為工作介質的熱管。同水相比，液態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，因此應用更為廣泛，但研制工藝十分復雜，實驗難度遠高于水熱管。

由于當時國內的相關資料極少，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，先后建成多個系統性實驗裝置，并成立了我國第一個熱管研究團體——熱管研究組。

此后沒多久，研究組就接到一項重大任務——為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，發電效率為20%，剩余80%的能量都要通過熱管向空間輻射排散。

大家以極大的熱情立刻投入了這項工作。在全力以赴的投入下，1972年9月，我國第一根液態金屬鈉高溫熱管終于測試成功，實現了我國熱管技術領域零的突破。此后，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，圓滿完成這一國家任務。

1972年9月《力學情報》報導熱管測試成功及測試照片

熱管實驗臺

在滿足國防需求的同時，為了將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℃，接近當時世界先進水平。

20世紀70年代，國際上發生了石油危機，導致國外對工業余熱回收的需求增多，鋼-水熱管成為研究熱點。我國也及時跟上，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余熱回收中的應用”項目獲國家科技進步獎二等獎。

熱管相關研究獲1985年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快速發展的“井噴”期，多項科技成果在工業部門得到應用；進入21世紀，則是技術創新期，產生很多新器件。

“熱管技術成本低，但能解決大問題，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，來到工程熱物理所作博士后，師從馬同澤。

曲偉表示：“馬老師做熱管研究獲過3項國家獎，這是業內絕無僅有的，學術圈公認他為中國熱管第一人，代表了中國科學院的水平。而且不僅學術造詣高，人品也好，平易近人。”

馬同澤 （1930-2015） 本文所有圖片由工程熱物理所提供

曲偉回憶，馬同澤謙虛謹慎，從來不以自己得過國家級獎項自居，但有一件事卻很自豪，那就是和毛主席同一天生日，因此得名“同澤”。而在做科研時，他也同毛主席一樣，注重理論和實踐相結合。

例如，為了驗證碳鋼水熱管的壽命能達到5年，馬同澤帶領大家每天記錄上百根熱管的數據，持續了長達6年。

雖然馬同澤已于2015年去世，但回憶起自己相處了12年的恩師，曲偉還是滿懷感激之情：“馬老師非常重視訓練學生的基本功，要求每個研究生熟練掌握各種儀表，知道不同儀器的長處和短板。比如每個熱電偶我們都是自己焊的，挨個測量誤差。所有這些小細節馬老師都領著我們親力親為，所以他的學生出來一個是一個，到其他崗位上也能做出很好的成績。”

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，他多次找到所領導，最后終于解決了學生公寓洗澡問題。

在學生眼中是“大科學家”的馬同澤，也非常細心。一次實驗室搬家時不小心打碎了一支U型管水銀計，馬同澤親自拿鏟子和容器將水銀收集起來密封保存。

對于招搖撞騙的學術騙子，馬同澤態度鮮明。20世紀90年代，國內某高校宣揚ZGM介質管中蘊含40多種微量元素，有神乎其神的功效，吸引了許多投資方紛紛投錢。這些人還到處舉辦研討會，邀請各大高校的老師參會“站臺”。馬同澤堅定地說：“不能為了蠅頭小利，連學術不學術都不管了。”他不僅抵制參會，還帶頭寫了一封公開信揭露其偽科學的真面目，絲毫不怕得罪人。

雖然斯人已逝，但馬同澤培養的大量研究人才，仍然活躍在熱管領域，踐行著他的科學思想，成為相關領域領軍和骨干人才，在各行各業發光發熱。