论文简介
题目：A Novel Ceramic-Liquid Alloy Lattice Metastructure for Thermal Protection in Aerospace Applications
时间：2026年2月
期刊：《Advanced Engineering Materials》
作者：西安交通大学博士生杨钊、王鹏飞教授等
简介：本文提出一种由氧化锆陶瓷骨架与铋基液态合金复合而成的晶格超结构。研究通过调节晶格几何参数和合金含量，使结构在传导热量的同时利用合金相变吸热，并通过优化杆件截面降低界面热应力，为航天热防护提供一种材料与结构协同设计思路。
原文链接：
ttps://doi.org/10.1002/adem.202503177
引用本文：
Yang, Z., Yao, Q., Feng, X. et al. A Novel Ceramic-Liquid Alloy Lattice Metastructure for Thermal Protection in Aerospace Applications. Advanced Engineering Materials, 2026, e202503177. https://doi.org/10.1002/adem.202503177
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摘要
航天器可能受到短时、高强度热冲击，而传统热防护结构难以同时满足热冲击防护与日常运行热量疏散的需求。本文提出陶瓷-液态合金（Liquid alloy）复合晶格结构，并通过实验与数值模拟开展验证。研究以晶格细长比和液态合金体积分数为设计参数，实现等效热导率在0.437-6.209 W/(m·K)范围内调节。液态合金发生固-液相变时可吸收热量，帮助抑制温升；优化杆件截面后，模型计算得到陶瓷-合金界面热应力降低约50%。该设计为航天热防护结构的热管理提供了新的研究思路。
关键词：液态合金，超结构，航天器，热防护
一、方法部分
航天热防护面对的并非单一的高温问题：结构既要承受热冲击，又要在常规运行中及时疏散热量。本文将氧化锆陶瓷与液态合金（一种铋-铟-锡合金，成分为：In51Bi32.5Sn16.5）组合起来：陶瓷构成杆件外壳和承力骨架，合金填充杆件内部通道。
其中，复合杆件（单杆）是晶格的基本构件：外层为氧化锆陶瓷管状骨架，轴向中空通道内填充液态合金。以具有代表性的单杆作为独立试样，在恒温加热平台上测温，并用来验证相变传热模型。完整晶格则由多根复合杆件按体心立方（BCC）空间桁架几何连接，形成三维、多方向的传热结构。论文采用BCC 单元边长为17.5 mm，制备的晶格样件整体尺寸为35.0 mm × 35.0 mm × 17.5 mm。杆件实验验证单杆加热响应；完整晶格层级的等效导热和热冲击响应主要来自数值模型。
图1展示了从航天器防护层需求逐步展开到晶格单元：陶瓷构成外部骨架，液态合金填充杆件内部通道；通过改变晶格杆径（外径D，内径d）与晶胞尺寸L等参数，可以调节晶格的相对密度和热学表现。研究重点考察杆径/晶胞尺寸比（D/L）、液态合金体积分数以及杆件截面形状等参数。
图1 陶瓷-液态合金晶格的设计概念
在制备方面，通过光固化立体成形（SLA）打印带内部微通道的氧化锆晶格，再经脱脂和高温烧结形成中空陶瓷结构，最后将熔融液态合金注入通道。论文中的显微和微米级 CT 观察用于检查陶瓷通道及合金填充状态。整个制备流程如图2所示，包括陶瓷浆料打印、脱脂与烧结、形成中空晶格，以及将液态合金注入内部通道的过程；下方照片呈现样件及局部填充情况。
图2 中空陶瓷晶格的制备及液态合金填充：（a）SLA打印与烧结；（b）注入熔融态液态合金；（c）晶格样件；（d）单根复合杆件样件；（e）注射前后的晶格节点形貌；（f）注射前后杆件端部形貌。
二、实验验证
研究首先制作陶瓷-液态合金复合杆件，在恒温加热平台上进行加热测试，并用红外热像仪监测表面温度，再将温度变化与相变传热模型进行比较。实验显示，液态合金含量会影响杆件升温过程；在较高加热温度下，温度曲线出现与相变有关的响应阶段。其机理是液态合金熔化时需要吸收潜热，输入热量的一部分被用于固-液转变，因此温度上升会暂时变缓。实验与模型整体趋势相符，为后续晶格热响应分析提供了杆件级实验参照。具体实验装置及与仿真模型的对比如图3所示。
图3 单根复合杆件的加热实验与相变模型：（a）实验装置；（b）不同液态合金含量下的温度响应；（c）不同加热温度下的实验-模拟对照；（d）液相比例随时间变化；（e）温度场、速度场与液相比例的空间分布演化。
三、结果与讨论
论文采用氧化锆陶瓷作为耐高温骨架，并将液态合金填入中空杆件。材料参数中，氧化锆的热导率为 1.9 W/(m·K)，液态合金为 30 W/(m·K)；合金在陶瓷杆件内部形成额外导热路径，有助于把进入结构的热量沿杆件传开，降低单一陶瓷晶格的传热阻力。另一方面，液态合金的相变潜热为 24.34 J/g，熔化时会吸收一部分输入热量。合金含量因此同时影响“热量传得多快”和“相变能吸收多少热”，这也是该结构需要协调导热与热缓冲、而非简单追求“越隔热越好”的原因。
图4展示了从单杆传热模型扩展到完整的BCC晶格单元传热的完整流程：先将直杆模型构造成“V”形杆，再利用镜像对称形成晶格单元；随后在晶格下表面施加热冲击波形，以分析模型的热响应：温度变化、相变缓冲，以及不同热冲击幅值下的温度场、速度场和液相比例的空间分布等。其中，液态合金的相变温区约为 330.65-335.65 K（约57.5-62.5℃）；进入该温区后，部分输入热量用于固-液转变，使温升暂时放缓。模型中幅值为4时未出现明显熔化，幅值为8和12时则分别约在206秒和120秒后完全熔化。
参数分析进一步说明，晶格几何会直接改变传热阻力：杆径/晶胞尺寸比（D/L）增大时，杆件的有效传热截面增加、热阻下降；合金体积分数提高，则能增强杆件内部的金属导热，同时增加可参与熔化吸热的材料量。参数扫描发现：在合金含量固定为30%时，D/L 从0.171增至0.4，等效热导率约提高529%；随后将合金含量从30%增至70%，等效热导率进一步提高约793%。在相同边界条件下，含50%相变材料的复合晶格等效热导率约为 2.10 W/(m·K)，同尺寸纯陶瓷晶格约为 0.19 W/(m·K)；整体可调范围为 0.437-6.209 W/(m·K)。
图4 晶格热冲击模型及温度响应：（a）杆模型至“V”形杆、BCC 单元的构建；（b）复合晶格与纯陶瓷晶格的等效热导率；（c）热冲击波形；（d）温度响应与相变缓冲；（e）液相比例变化；（f）温度场、速度场和液相比例场。
图5对 BCC 晶格单元进行参数分析，以不同的 D/L（0.171、0.286、0.4）和液态合金体积分数（30%、50%、70%）组合展示晶格构型；在D/L = 0.171的条件下，比较三种液态合金含量下的热冲击温度响应；随后汇总不同参数组合对应的等效热导率。可以看出，随着液态合金比例提高，参与导热的金属更多，同时可通过熔化吸收潜热的材料量也增加；D/L 改变杆件的有效传热截面和热阻。两项参数共同影响热量扩散和相变缓冲。
图5 不同晶格参数下的热缓冲与等效热导率：（a）不同D/L与液态合金含量的BCC晶格单元；（b）D/L = 0.171时液态合金含量为30%、50%、70%的热缓冲曲线；（c）不同参数组合下的等效热导率。
除了热传递，陶瓷与合金的热膨胀行为不同：论文采用的热膨胀系数分别约为 1.05 × 10-5 K-1（氧化锆）和 2.6 × 10-5 K-1（液态合金）。温度变化时，两种材料倾向于产生不同程度的尺寸变化，却受到界面连接的约束；若热量分布不均，这种热膨胀失配就可能转化为界面附近的局部应力集中。为此，研究比较圆形、折线多边形和曲边星形等杆件截面。改变截面轮廓会调整陶瓷-合金接触边界及周围约束，从而改变应力如何在界面处分布；曲边星形设计在有限元分析中表现出较低的峰值应力。
图6比较了不同复合杆件截面受热时的变形和热应力。图6（a）展示液态合金含量为9%的圆形嵌套杆（CNR）热变形；图6（b）把五边形（PNR）、五边星形（PSNR）、四边形（QNR）、四边星形（QSNR）、三角形（TNR）和三角星形（TSNR）六种截面，在液态合金含量为3%、9%、15%时进行比较；随后进一步汇总各构型的峰值热应力。有限元结果显示，在相同液态合金含量条件下，曲边三角星形截面TSNR的峰值应力较圆形CNR约低 50%。其机理在于截面边界改变陶瓷-液态合金接触边界形状及热膨胀受约束的方式，从而重新分配局部应力。
图6 不同杆件截面的热变形与峰值热应力：（a）液态合金含量9%时 CNR 的热变形；（b）六种截面构型在液态合金含量3%、9%、15%时的热变形；（c）不同构型和含量下的峰值热应力。
四、未来与展望
当前的研究主要针对复合杆件的恒温加热和模型对照，而完整晶格的热冲击响应及截面热应力优化主要来自数值模拟。后续仍需在热循环稳定性、合金封装可靠性、复杂热边界及结构承载等方面开展更贴近实际应用的测试。
作者简介
杨 钊（第一作者）
西安交通大学机械工程学院博士在读，主要研究方向为：点阵超结构智能设计。
翟 智
西安交通大学机械工程学院研究员、博士生导师，主要从事航天器电源系统状态监测、空天发动机状态监测与健康管理、航天器智能制造与健康管理等领域研究。
王鹏飞
西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师，主要从事智能航天器系统设计、智能材料与结构技术等领域研究。
研究所简介
航天制造与信息工程研究所：是西安交通大学成立的以产学研深度融合模式运行的实体研究所，2020年依托机械工程学科组建，为学校“校-院-所”三级架构下的科研实体，落地中国西部科技创新港，研究所50%师资力量为航天领域专家、型号总师，实行实质双聘，担任教授、博导；研究所主要聚焦空天往返动力、太空制造、在轨维护等领域，与航天科技领域大院大所共建深度融合联合体，全国首创“新港三融”新模式，坚持企业主导的产学研深度融合，推动人工智能、信息技术赋能航天科技，实现基础研究和重大需求有机结合，培养卓越工程人才，服务高水平科技自立自强。
空天往返动力与智能制造产教融合平台（陕西空天推进技术创新中心）：是依托航天制造与信息工程研究所建设的产教融合示范平台（省部级科研基地），是学校探索产学研深度融合下有组织科研模式的试验田，也是支撑机械工程学院、未来技术学院、卓越工程师学院开展人才培养改革的重要基地。平台2023年获评航天科技集团科技创新团队，2024年斩获西安交通大学优秀校企产教融合平台、全国卓越工程师培养优秀校企导师组（全国十佳）、中国机械行业产教融合研究生教育教学特等奖（全国2项），2025年获陕西省学位与研究生教育学会研究生教育成果特等奖，2026年获批学校国家卓越工程师学院空天推进与空间智能（工程师）技术中心。
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