随着航空航天技术的快速发展，飞机结构和功能部件面临着极端的工作环境[1]。在超音速飞行器鼻锥、燃烧室内壁和高热流换热器[2]等典型场景中，局部热流可达到甚至超过10 MW/m²[3]，同时伴随着高温、严重氧化和强烈的热冲击。基于传导和对流传热的传统被动热防护策略难以维持长期稳定运行。因此，结构烧蚀、材料降解和热防护性能恶化变得尤为突出[4]。这些已成为开发先进热防护系统的关键瓶颈[5]。
早期研究提出了主动或半主动热防护技术[6]等解决方案。作为一种主动热防护技术，基于多孔材料的蒸发冷却因其卓越的热防护能力而受到广泛关注[7]。蒸发冷却涉及将冷却剂引入多孔材料，液-气相变发生在加热表面附近[8]。在相变过程中吸收了大量潜热，从而显著降低壁温并防止热量传递给底层结构[9]。多孔材料作为蒸发冷却系统的主要元件，实现了液体传输、相变传热和结构支撑[10]。除了控制冷却剂分布和流动阻力外，多孔材料还直接决定了液-气界面的位置和关键冷却性能。金属多孔材料是蒸发冷却研究中使用最广泛的材料。由于其优异的机械强度、高导热性和成熟的制备方法[11]，多孔镍基合金[12]、铜[13]和铜基合金[14]被广泛使用。然而，金属材料在极端高温或氧化环境下容易发生氧化、蠕变和微观结构退化。聚合物多孔材料如气凝胶[15]和氢凝胶[16]也因高孔隙率和低密度[17]而在蒸发冷却中受到关注。然而，聚合物通常具有不足的热阻、低分解温度和较差的机械性能，不适合在高温条件下进行蒸发冷却。相比之下，陶瓷多孔材料因其优异的高温耐受性、抗氧化性和耐腐蚀性[18]而被认为是极端热环境下蒸发冷却最有前景的材料之一。当温度超过1000℃时，陶瓷材料仍保持优异的机械强度和功能稳定性[19]。此外，它们的化学惰性在氧化或腐蚀性环境中具有显著优势。Szwaba等人[20]使用可渗透的陶瓷基复合材料作为燃烧室衬里，并实现了水基蒸发冷却。他们的实验表明，即使在极高温度下，也没有衬里损坏或开裂的情况。Zhang等人[21]制备了孔径范围为3–20 µm的Cf/SiC复合陶瓷多孔材料。这些材料在0.9–1.9 MW/m²的热流下表现出优异的蒸发冷却性能。Geng等人[22]通过电火花加工制备了直通道Cf/HfB2-SiC多孔复合材料，实现了最大524°C的表面温度降低。Liu等人[23]报道了基于三周期最小表面结构的陶瓷多孔材料的蒸发冷却性能。结果表明，G型结构在相变过程中提供了更好的传热性能和温度均匀性。Xv等人[24]研究了复合陶瓷多孔材料中的孔配置、孔尺寸和导热性对蒸发冷却的影响。他们的发现表明，椭圆形孔排列提高了冷却效果。总之，这些研究表明，孔结构特性（包括孔径、孔隙率、连通性和热机械稳定性）是蒸发冷却性能的关键决定因素[25]。因此，开发能够在极端热条件下同时实现高蒸发效率和持久结构稳定性的陶瓷多孔材料仍然是蒸发冷却技术进步的重要障碍[26]。
陶瓷多孔材料的传统制备方法包括冷冻干燥[27]、牺牲模板法[28]、发泡[29]和生物质衍生路线[30]。这些方法在控制孔径分布方面存在局限性，导致孔结构不规则且连通性不足，限制了其在蒸发冷却应用中的稳定性液体传输能力。此外，制造复杂几何形状（包括曲面、尖锐尖端或分级孔结构）面临重大挑战。最近，增材制造作为一种制备陶瓷多孔材料的有效替代方法而受到重视[31]。与传统方法相比，增材制造基于三维模型进行逐层构建[32]，能够精确控制孔径、孔隙率、连通性和整体几何形状[33]。研究人员利用增材制造技术制备了多孔材料[34]，这些材料在增强传热方面表现出色[35]。然而，如何在保持宏观结构尺寸的同时获得细孔的多孔材料一直是一个难以克服的挑战。尽管已有文献记录了壁厚小至5 µm的多孔材料[36]，但其整体尺寸仍受限于亚毫米级别，从而限制了其在蒸发冷却系统中的应用。
本研究开发了一种基于增材制造技术的多尺度粒径浆料，实现了陶瓷多孔材料的定制化和快速制备。在毛细驱动和泵驱动条件下，研究了定制陶瓷多孔材料的相变传热性能。使用光聚合增材制造技术制备了具有可调孔径和孔隙率的多孔陶瓷材料。对其微观结构特性和冷态毛细吸液性能进行了表征，以阐明孔结构与液体传输能力之间的内在关系。在不同驱动模式下进行了蒸发冷却实验，特别关注了表面温度分布。与传统多孔材料相比，定量评估了增材制造陶瓷多孔材料在高热流条件下的冷却性能。
