用于发汗冷却的多孔陶瓷材料研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1036

摘要/Abstract

摘要：

高超声速飞行器在极端服役环境下面临着严峻的热防护挑战，传统的被动热防护技术难以满足长时间、可重复使用的热管理需求。发汗冷却是一种高效的主动热防护技术，用于发汗冷却的多孔介质材料须具备耐高温、质量轻和高渗透性等特点。发汗冷却多孔陶瓷材料因低密度、高比表面积、优异的高温抗氧化性能和低热膨胀系数，成为理想的候选材料。本文系统梳理了发汗冷却技术的工作原理和优势，重点分析了多孔陶瓷的性能特点及主要制备方法（模板复制法、部分烧结法、添加造孔剂法、直接发泡法和增材制造），对比分析了不同方法的优缺点，指出当前在平衡高孔隙率和力学性能、实现复杂结构成型及精准调控梯度孔隙等方面仍存在挑战。最后，本文展望了未来的研究方向，例如精确调控孔隙结构、构建复相陶瓷体系等，以推动该材料在航空航天热防护领域的产业化应用。

关键词: 多孔陶瓷, 高超声速飞行器, 发汗冷却, 孔隙结构, 热防护系统

Abstract:

Hypersonic vehicles face severe thermal protection challenges under extreme service conditions， where traditional passive thermal protection technologies struggle to meet the demands for long-term， reusable thermal management requirements. Transpiration cooling is an efficient active thermal protection technology. Porous media materials used for transpiration cooling need to possess characteristics such as high-temperature resistance， lightweight， and high permeability. Porous ceramic materials for transpiration cooling， with their low density， high specific surface area， excellent high-temperature oxidation resistance， and low thermal expansion coefficient， have emerged as ideal candidate materials. This article systematically reviews the working principles and advantages of transpiration cooling technology， focusing on the performance characteristics and main preparation methods（including template replication method， partial sintering method， pore-forming agent addition method， direct foaming method， and additive manufacturing） of porous ceramics. It compares the advantages and disadvantages of different methods and highlights the current challenges in balancing high porosity with mechanical properties， achieving complex structural shaping， and precisely controlling gradient porosity. Finally， this article outlines future research directions， such as precise pore structure regulation and the construction of multiphase ceramic systems， to promote the industrial application of these materials in aerospace thermal protection.

Key words: porous ceramics, hypersonic vehicle, transpiration cooling, pore structure, thermal protection system

中图分类号:

TQ174

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图/表 22

图1 发汗冷却技术原理示意图［7］

Fig.1 Schematic diagram of transpiration cooling technique principle［7］

图2 不同材料比强度与温度的关系［19］

Fig.2 Relationship between specific strength and temperature for different materials［19］

图3 主动热防护技术的分类［20］

Fig.3 Classification of active thermal protection technique［20］

表1 主动热防护技术原理、特点及应用

Table 1 Principles， characteristics， and applications of active thermal protection technique

技术类型	原理	特点	应用场景
气膜冷却	在受热表面设置离散的孔通道，冷却工质通过该通道输送到表面形成气膜起到隔热作用	冷却工质消耗量较大且利用率较低，热防护效果一般	制导导弹光学窗口利用气膜冷却隔离热流^［23］
发汗冷却	冷却工质从多孔介质的冷端流动到热端，在结构内部进行充分换热及在表面形成气膜隔热	冷却工质利用率较高，热防护效果较好，可重复使用	DLR火箭发动机燃烧室内衬，包括燃烧室喉部区域等关键位置^［24］
对流冷却	在受热结构下面布置冷却通道，通过冷却工质流动带走表面热量	冷却通道位于结构内部，适用于低密度热流	X-51A飞行器的超燃冲压发动机的燃烧室壁面^［21］
冲击冷却	将液态冷却工质雾化后直接对受热表面进行冲击，以此来增加传热	局部快速冷却效果不错，热防护系统较复杂	燃气轮机涡轮叶片前缘^［22］

表2 常见发汗冷却多孔材料的性能对比

Table 2 Performance comparison of common transpiration cooling porous materials

发汗冷却多孔材料	密度/（g·cm^-3）	最高工作温度/℃	渗透率/m²
Ti6Al4V^［29］	2.70~3.83	300~350	2.74×10^-15~6.14×10^-14
Bronze^［30］	6.30	527	2.42×10^-12~1.03×10^-10
C/C-SiC^［31］	2.00	1 650	1.86×10^-14~1.09×10^-12
Si₃N₄^［32］	1.52	1 200~1 400	6.5×10^-14
C/C^［33］	1.38	1 650	7.11×10^-13~8.66×10^-8
3DN C/SiC^［34］	1.15	1 650	3.37×10^-12
SiC^［35］	2.25	1 600	7.97×10^-13
C_f/SiC^［36］	1.07~1.38	1 650	6.07×10^-14~12.22×10^-14

图4 Cr涂层锆合金在300 ppb（1 ppb=1 μg/L）溶解氧的水（360 ℃）中暴露300 d后的表面剥落形貌SEM照片［42］

Fig.4 SEM image of surface spallation morphology of Cr-coated Zr alloy after exposure to 300 ppb（1 ppb=1 μg/L） dissolved oxygen water at 360 ℃ for 300 d［42］

图5 C/C复合材料的SEM照片［44］

Fig.5 SEM image of C/C composite［44］

图6 多孔试样的发汗冷却性能［36］

Fig.6 Transpiration cooling performance of porous specimen［36］

图7 不同孔径模板制备的多孔陶瓷烧结体的宏观光学照片及断面SEM照片［49］

Fig.7 Macroscopic optical photographs and cross-sectional SEM images of porous ceramic sintered bodies prepared by templates with different pore sizes［49］

图8 具有Si涂层的网状多孔陶瓷的结构演变示意图［50］

Fig.8 Schematic diagram of structure evolution of reticulated porous ceramics with Si coating layers［50］

图9 具有定向孔微观结构的SiC多孔陶瓷的制备流程图［35］

Fig.9 Preparation flow chart of SiC porous ceramics with oriented pore microstructure［35］

图10 结合原位反应和部分烧结法制备多孔ZrC和HfC的方法示意图［59］

Fig.10 Schematic diagram of novel method combining in-situ reaction and partial sintering method for preparing porous ZrC and HfC［59］

图11 多孔Si3N4陶瓷（20% PMMA）断裂截面的［62］

Fig.11 Typical SEM image of fracture cross-section of porous Si3N4 ceramics （20% PMMA）［62］

图12 未添加与添加MC陶瓷生坯表面状态的对比［64］典型SEM照片

Fig.12 Comparison of surface condition of ceramic green bodies without and with MC［64］

图13 多孔SiC陶瓷分级结构及不同SDS用量下孔隙的SEM照片［67］

Fig.13 SEM images of hierarchical structure of porous SiC ceramics and pore under varying SDS dosages［67］

图14 直接发泡法制备多孔Si3N4陶瓷流程图［68］

Fig.14 Flow chart of Si3N4 porous ceramics prepared with direct foaming method［68］

图15 SiC样品在第一次和第七次PIP循环后抛光断裂截面的SEM照片［71］

Fig.15 SEM images of polished fracture cross-sections of SiC samples after 1st and 7th PIP cycles［71］

图16 湿发泡材料通过DIW技术制造分级多孔陶瓷的工艺流程［74］

Fig.16 Process flow of wet foaming material to manufacture hierarchical porous ceramics by DIW technique［74］

图17 含5%（质量分数）玻璃熔块的打印坯体经不同温度烧结后的SEM照片［79］

Fig.17 SEM images of additively manufactured green bodies containing 5%（mass fraction） glass frit after sintering at different temperatures［79］

图18 孔隙率为67%（体积分数）的Diamond型TPMS的结构模型、应力分布及应变分布［83］

Fig.18 Structure model， stress distribution and strain distribution of Diamond-type TPMS with a porosity of 67% （volume fraction）［83］

图19 不同Al（OH）3添加量和烧结温度的SiC陶瓷的XRD谱［84］

Fig.19 XRD patterns of SiC ceramics with different Al（OH）3 addition amounts and sintering temperatures［84］

表 3 不同方法制备多孔陶瓷的优缺点

Table 3 Advantages and disadvantages of different fabrication methods for porous ceramics

制备方法	优点	缺点
模板复制法	制备成本低；制备工艺简单，制品孔隙率高；高孔隙连通性和定向孔隙结构	杂质残留，孔隙可设计性低，材料力学性能受限
部分烧结法	方法简单，成本低，孔隙分布均匀，力学性能优异	孔径较小，孔隙率低，难以设计定向孔隙结构
添加造孔剂法	可精准调控孔隙结构与参数；力学性能好，成本低，应用广	有机造孔剂易产生有毒气体，孔隙均匀性和连通性较差
直接发泡法	孔隙率高，密度低；工艺简单，成本低	机械强度不高；孔隙结构调控难，连通性差
增材制造	材料利用率高，制备速度快；可制备复杂结构多孔陶瓷；精准调控孔隙结构和孔径	制品表面粗糙度较高，结构精度控制需加强

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