突破热障极限：基于莱顿弗罗斯特抑制效应的直接冷却技术实现高超音速飞行器高效热防护

针对高超音速飞行器面临的热障（heat barrier）难题，研究人员通过设计纤维-金属纳米/微米结构热装甲（STA），成功将莱顿弗罗斯特点（Leidenfrost point）提升至1000°C以上，实现直接液相冷却（direct liquid cooling）。实验证明该材料在3000°C乙炔火焰中仍保持结构完整，热通量达7.16 MW/m2，为可重复使用高超音速飞行器热防护系统（TPS）提供革新方案。

　　

当飞行器速度突破5倍音速（Ma>5），与空气摩擦产生的气动加热（aerodynamic heating）会使表面温度骤升至2500°C，这一"热障"（heat barrier）问题长期制约着高超音速技术的发展。传统热防护方法如烧蚀材料（ablative heat shields）和再生冷却（regenerative cooling）存在重量大、效率低等缺陷，而直接液体冷却又因莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）在高温下失效——当表面温度超过150°C时，液体与热表面间会形成气膜阻碍传热。

东南大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，受Jiang等提出的结构化热装甲（STA）启发，通过优化表面粗糙度和微柱结构，开发出能抑制莱顿弗罗斯特效应的新型STA材料。该材料在模拟高超音速气动加热的极端条件下（3000°C乙炔火焰），仍能维持高效液相冷却，使飞行器关键部位温度稳定在109°C，热通量较前人研究提升258%。

关键技术方法包括：

1. 采用电纺丝技术（electrospinning）制备平均孔径5.4μm的SiO₂纳米纤维膜
2. 微柱阵列基板（a=300μm，b=300μm）通过线切割加工并嵌入纤维膜构成STA
3. 基于丁烷（1400°C）和乙炔（3000°C）火焰的地面模拟实验平台
4. 高速摄像（500 fps）记录液固接触动力学
5. 循环耐久性测试（9次）和机械性能表征

【材料设计与表征】
团队设计的STA由铝合金微柱基板（h=650μm）和SiO₂纳米纤维膜（α=100μm）组成，表面粗糙度（R_max=2.13μm）显著提升润湿性。微柱间U型结构和嵌入纤维膜形成的蒸汽通道（vapor delivery channels）共同抑制莱顿弗罗斯特效应。

【丁烷火焰实验】
在1400°C丁烷火焰中，传统微柱基板迅速熔毁（600°C），而STA使温度骤降至109°C，热通量达2.0±0.1 MW/m²。高速影像显示液体在STA表面形成稳定润湿区，而对照组出现液滴弹跳（Leidenfrost现象）。

【循环耐久测试】
经历9次热循环（含双火焰模式）后，STA仍保持冷却效能。当纳米纤维膜中心破损时，边缘区域仍能维持润湿，证明结构冗余设计的重要性。

【乙炔火焰验证】
在3000°C乙炔火焰中，钝头体结构的STA使关键部位温度稳定在1200°C以下（低于不锈钢熔点），热通量达7.16 MW/m²。30°入射角的水射流（16 mL/min）可保护纤维膜完整，SEM证实微柱尺寸在实验后未变形。

这项研究颠覆了传统热防护系统（TPS）的设计范式，首次实现极端条件下的直接液相冷却。STA材料兼具轻量化（相比传统再生冷却系统）和可重复使用特性，为高超音速飞行器的机动性（maneuverability）和成本效益（cost-effectiveness）提供关键技术支撑。尽管在真空环境适应性、机械性能退化等方面仍需优化，该成果不仅适用于航空航天领域，还可拓展至太阳探测器（solar probes）、核聚变装置（ITER/EAST）等极端热管理场景。研究团队建议未来采用钛合金（melting point 1660°C）替代当前不锈钢基板，以匹配更高马赫数（Ma>20）的飞行需求。