在航空航天领域，飞机性能的持续突破面临多重严格限制。轻量化设计仍然是实现更高推重比、延长航程和增加有效载荷容量的基本目标[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而，随着飞行速度的提高和推进系统功率密度的增加，强烈的空气动力加热和升高的内部温度对承载结构在极端热条件下的机械性能提出了迫切要求[[7], [8], [9]]。此外，高功率机载电子设备、先进能源系统和关键的热保护组件会产生大量废热，因此高效的热散发对于确保飞行安全、提高系统可靠性和实现最佳性能至关重要[10,11]。因此，开发同时具备超轻量化设计、优异的高温承载性能和高效主动热散发功能的多功能结构已成为该领域一个关键且尚未解决的挑战。
近年来，TPMS结构因其数学定义明确且可控的拓扑配置、零平均曲率以及固有的高比强度和刚度而展现出巨大的超轻量化设计潜力[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。其自然形成的开放、互联且高度有序的多孔网络使其成为增强强制对流热散发的理想候选材料[[21], [22], [23], [24], [25]]。大量研究探讨了TPMS结构的热管理潜力，强调了它们对拓扑结构的强烈依赖性[[26], [27], [28]]。特别是Primitive（P）结构在特定条件下具有显著优势。在多孔介质应用中，它具有低流动阻力和高整体性能，当最小化压降至关重要时尤为理想[26]。利用相变材料（PCM）的潜热储能（LHTES）系统在自然对流起主要作用的情况下表现出优异的热传递性能[27]。郭等人将其归因于其独特的拓扑结构，这种结构增强了表面收缩点的局部流速和涡流形成，从而强化了对流热交换[29,30]。这些特性使得Primitive结构能够在保持高效热散发的同时降低泵送功率，使其非常适合航空航天等对轻量化和有效热管理要求极高的领域。在机械性能方面，Dadashi等人[31,32]报告称Primitive结构的剪切模量高于其他TPMS几何形状（如Gyroid和Diamond）。此外，Primitive结构还表现出更大的机械灵活性，这归因于其增强的能量吸收能力和抗冲击性[[33], [34], [35]]。然而，当Primitive结构受到压缩载荷时，由于其相对较低的压缩模量和强度[34,36]，其应用受到限制，特别是在热机械耦合场景中。因此，推进Primitive结构工程应用的主要挑战在于制定有效策略，以同时优化其热散发性能和承载能力，特别是在高温下的压缩稳定性。
为应对这一挑战，混合结构设计展现了独特的优势[[37], [38], [39], [40]]。通过整合不同TPMS结构的互补特性，混合策略可以克服单一结构配置的固有性能限制，从而最大化其多功能潜力。例如，Li等人[41]采用了一种混合设计，将IWP和Gyroid结构并排排列，并通过圆形和椭圆形界面连接。他们的径向准静态压缩测试证实，由于混合化作用，能量吸收和抗冲击性得到了显著提升。同样，Lu等人[42]结合了高韧性Gyroid结构和高剪切模量Primitive结构，开发出一种具有增强损伤容忍度、提高断裂强度以及显著提高21.7%能量吸收能力的混合设计。Gao等人[37,43]进一步提供了重要见解，验证了多TPMS混合设计可以显著增强结构强度。此外，Zhang等人[44], [45], [46]提出了不同的混合设计策略，实验和有限元计算证实混合TPMS结构在热散发性能上优于单一TPMS结构。尽管该领域进行了大量研究并取得了显著进展，但现有研究仍需解决一些问题。现有的混合策略（主要是轴向或并行配置）在流体流动和热传递方面尚未得到充分研究；特别是对其内部流场结构演变和对流热传递机制的系统探索尚缺乏。这在一定程度上限制了这些结构整体热散发性能的进一步优化[47]。其次，当前研究主要关注环境温度环境，这是一个普遍的不足。然而，在高温条件下，热膨胀差异、界面应力集中和蠕变效应导致的热机械耦合对混合结构的稳定性构成了重大威胁。这些效应的潜在机制尚不清楚，这阻碍了它们在极端环境中的实际应用。此外，这种周期性结构在压缩载荷下容易形成连贯的剪切带，限制了其损伤容忍度的进一步提高。相比之下，受“爱因斯坦”单瓷砖块启发的非周期性晶格设计显示出明显优势。其单元格的非重复空间取向有效地分割了失效路径，这种结构还有助于变形的局部化。因此，该晶格在抑制全局失效方面具有强大潜力[48,49]。尽管非周期性配置在纯机械韧性方面具有显著优势，但它们在热机械耦合条件下的性能——特别是作为高效热散发结构的潜力——仍有待深入探索。
鉴于这些发现，本研究提出了一种创新的径向混合TPMS设计，集成了Primitive、Gyroid和Diamond结构。采用Sigmoid函数实现平滑、连续的径向过渡，减轻界面应力。通过这种策略，构建了三种圆柱形结构：单层Primitive（P）、双层Gyroid-Primitive（GP）和三层Gyroid-Diamond-Primitive（GDP）。为了平衡机械性能、热散发和可制造性[[50], [51], [52], [53], [54], [55]]，相对密度控制在30%，单元格尺寸为8毫米。与之前的混合配置相比，这种径向设计有两个核心优势：从机械角度来看，其同心层形成了连续的载荷传递路径，内部的Gyroid和中间的Diamond作为主要的承载骨架，分散应力并抑制界面失效；从热角度来看，径向几何梯度扰乱了冷却流体，显著增强了对流热传递。它特别适用于航空航天圆柱形部件，为轻量化“承载-散热”集成设计提供了突破。
为了系统验证这一设计，本文的结构安排如下：第2节详细介绍了通过选择性激光熔化（SLM）制造HT5201耐热铝合金试样的过程，并通过Micro-CT表征确认了打印质量[[56], [57], [58]]。第3节介绍了在25°C和250°C下的准静态压缩测试[59,60]（以量化SEA、σpl和CFE等机械指标）和计算流体动力学（CFD）模拟（通过努塞尔数(Nu)来评估热性能[[61], [62], [63], [64], [65], [66]]。第4节对六层序列（GDP、DGP、GPD、DPG、PGD和PDG）进行了热机械耦合有限元模拟，以揭示层序效应。第5节总结了关键发现，并为适用于极端热机械环境的高性能、轻量化、多功能TPMS结构奠定了基础。
