转自 材料研究前沿
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1研究背景
随着航空航天、能源动力、高端制造和化工等领域的飞速发展，设备在极端高温和高压环境下的热安全问题日益凸显。传统的热保护技术，如特殊材料或现有冷却方案，已难以满足日益严苛的散热需求。为此，科学家们一直在探索更为高效、持久的冷却技术。近期，一项基于纳米工程增强毛细冷却的研究，为这一问题提供了创新性的解决方案。该研究利用纳米技术设计的多孔结构，显著提高了材料的毛细性能，从而实现了对超高热流密度和温度的有效热保护。
2成果简介
在这项研究中，科学家们提出了一种创新的冷却方案，该方案依赖于蒸发驱动的毛细流动，通过纳米工程设计的多孔结构，显著提高了常见材料的热保护能力。实验结果表明，经过纳米工程设计的青铜、TC4（钛合金，Ti-6Al-4V）和Al2O3材料，其热保护能力比未采用纳米工程设计的材料高出50-180%。该方案实现了高达2.0-3.1 MW/m²的关键热流密度，并且散热能力几乎是冷却剂固有潜热的两倍。此外，在总温度高达1792 K的超音速风洞中，该方案有效地保护了表面，将其冷却至低于500 K的表面温度。这项研究不仅为常见材料在高温和高热流环境下的应用提供了新的可能性，而且为开发轻质、持久、大规模的散热解决方案铺平了道路。
3图文导读
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图1 展示了蒸发驱动毛细流动的原理示意图和实验系统。图中A部分展示了当保护表面接触外部热流时，液体通过多孔结构的毛细力被驱动向上，而非机械泵。B部分详细描述了实验系统，包括用于实时观察的实验平台，以及用于表征毛细流动速度场的微粒子图像测速（micro-PIV）方法。
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图2 展示了纳米工程设计的两种方法（水热合成和水热氧化）的步骤，以及它们对多孔板样品表面润湿性的影响。图中A部分展示了两种方法的步骤，B部分展示了经过水热合成和水热氧化处理的烧结青铜多孔板样品的润湿性测试结果。
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图3 比较了有无纳米工程处理的样品在毛细冷却中的热保护性能。图中A部分展示了不同烧结青铜多孔板样品的临界热流密度，B部分测试了周期性热流变化下的响应时间，C部分测试了热冲击下的性能，D部分比较了有无纳米工程处理的样品的毛细流动冷却曲线。
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图4 分析了毛细冷却的热保护性能。图中A部分展示了毛细冷却中的平衡关系分析，B部分比较了实验和理论值之间的临界热流密度，C部分展示了冷却剂消耗通量与热流密度的关系，D部分比较了不同冷却方案的热保护性能。
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图5 展示了在超音速风洞中进行的纳米工程增强毛细冷却测试。图中A部分展示了风洞测试的示意图，B部分展示了测试模块的图像和示意图，C部分展示了在加热下测试模块表面的温度分布，D部分比较了纳米工程增强毛细冷却和泵驱动冷却的均匀性和冷却效率。
4小结
这项研究通过纳米工程增强毛细冷却技术，为极端高温和高热流环境下的热保护提供了新的解决方案。研究结果表明，纳米工程设计的多孔结构能显著提高材料的热保护能力，实现了高达2.0-3.1 MW/m²的关键热流密度，并且散热能力几乎是冷却剂固有潜热的两倍。此外，该方案在超音速风洞测试中表现出优异的热保护能力，有效地保护了表面，将其冷却至低于500 K的表面温度。这些发现不仅为实现高温和高热流环境下的热保护提供了新的可能性，而且为开发轻质、持久、大规模的散热解决方案铺平了道路。
文献：
https://doi.org/10.1002/adma.202312765
