新型中空短纤维NiCr透气材料的制备与性能研究及其在高温热防护中的应用

为解决高超声速飞行器热防护系统中传统冷却材料高温强度不足、透气性差等问题，中国科学院研究人员通过复合结构调控成功合成新型中空短纤维NiCr透气材料。该材料密度4.5 g/cm3时兼具240.4 MPa拉伸强度与2.12×10–12 m2透气率，为下一代轻量化高温透气合金体系开发提供新思路。

　　

在人类探索高超声速飞行的征程中，热防护始终是卡脖子难题。当飞行器以10马赫驰骋天际时，表面温度可飙升至3889 K，发动机内部更是化作熔炉。传统热盾材料如气凝胶虽轻若鸿毛，却难耐烈火灼烧；柔性聚合物复合材料高温下机械强度断崖式下跌；而早期烧结多孔金属虽成本低廉，却像脆弱的饼干一掰就碎。面对这些困境，中国科学院团队将目光投向镍铬合金(NiCr)——这种在喷气发动机叶片中经受千度考验的材料，能否通过结构革新成为新一代"会呼吸"的热盔甲？

研究团队创新性地以脱脂棉纤维为模板，通过碳化-电镀-湿氢烧结-熔渗-轧制五步法，构建出具有独特中空纤维互连结构的NiCr透气材料。借助扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)揭示其螺旋纤维形貌，X射线衍射(XRD)证实材料主相为固溶镍的铬晶体。当密度调控至4.5 g/cm³时，材料展现出240.4 MPa的室温抗拉强度和92.5 GPa弹性模量，透气率达2.12×10^–12 m²，热导率显著降低。这种"钢骨架海绵"般的结构，既为发汗冷却(sweating cooling)提供气体通道，又保持足以抵抗气动载荷的机械强度。

Preparation process
团队开创的制备工艺中，脱脂棉经1200°C碳化形成螺旋状碳纤维骨架，后在含NiSO₄ (300 g/L)的电解液中电镀镍层，最终通过熔渗铬和轧制获得中空纤维交织的立体网络。这种生物模板法相比传统粉末烧结工艺，更易实现孔隙结构的精准调控。

Microstructure of the as-prepared NiCr felt
电镜分析显示，碳纤维独特的螺旋结构使比表面积提升37%，镍镀层完整包覆形成导电网络。烧结后材料呈现Cr(Ni)固溶体相，元素分布检测显示镍质量分数达64.24%，这种成分设计赋予材料优异的高温抗氧化性。

Conclusions
该研究突破传统合金致密化思维，通过仿生结构中空设计，使NiCr合金密度降低30%的同时保持结构刚性。材料在模拟发动机工况下展现出的"呼吸-散热-承重"三位一体特性，为可重复使用高超声速飞行器热管理系统提供全新解决方案。正如通讯作者Weiwei Chen指出："这种材料就像给飞行器装上纳米级空调系统，其单位重量冷却效率较传统层压材料提升2个数量级。"

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，不仅获得国家自然科学基金资助，更标志着我国在智能热防护材料领域实现从跟跑到领跑的关键跨越。未来，通过调控中空纤维的径长比和堆垛方式，该材料体系有望在航天发动机燃烧室衬里、高超音速导弹头锥等极端环境应用中大放异彩。