《泡沫材料热辐射与高温传热特性》针对耐高温开孔泡沫材料在太阳能高温热转换利用、航空航天发动机冷却与燃烧控制、高超声速飞行器高温热防护、高温储能与强化传热等技术领域的应用需求，系统介绍金属和陶瓷两类耐高温开孔泡沫材料在热辐射与高温耦合传热方面的孔隙尺度和多尺度建模分析方法、传输机制及特性规律，同时阐述高温光谱辐射特性参数的预测方法和测试技术，并给出典型耐高温泡沫材料的高温光谱辐射特性参数数据。

目录
前言
第1章 耐高温泡沫材料的结构特征及参数表征 1
1.1 高温金属泡沫材料的孔隙结构特征 1
1.1.1 高温金属泡沫材料的制造工艺及技术特点 1
1.1.2 典型高温金属泡沫材料结构的μ-CT和SEM扫描分析 5
1.1.3 高温金属泡沫材料的孔隙尺度与微结构特征分析 7
1.2 陶瓷泡沫材料的多尺度孔隙结构特征 8
1.2.1 陶瓷泡沫材料的制造工艺及技术特点 8
1.2.2 典型陶瓷泡沫材料的μ-CT和SEM结构 10
1.2.3 陶瓷泡沫材料的孔隙尺度与微结构特征分析 12
1.3 高温金属与陶瓷泡沫材料的孔隙结构参数表征 13
1.3.1 泡沫材料孔隙结构的传统表征参数及适用性 13
1.3.2 泡沫材料孔隙结构的细观表征方法 14
1.3.3 典型高温金属与陶瓷泡沫材料的细观孔隙结构参数 17
1.4 高温金属与陶瓷泡沫肋筋的微结构表征 18
1.4.1 金属泡沫肋筋的微结构统计表征模型 18
1.4.2 陶瓷泡沫肋筋的微结构统计表征模型 20
1.4.3 金属镍与氧化铝陶瓷泡沫肋筋的微结构表征参数 24
参考文献 25
第2章 泡沫材料内热辐射传输的孔隙尺度分析方法 28
2.1 泡沫材料的孔隙结构建模方法 29
2.1.1 泡沫材料的规则化孔隙结构建模 29
2.1.2 泡沫材料的随机性孔隙结构建模 30
2.1.3 基于μ-CT重构的泡沫孔隙结构建模 31
2.2 泡沫材料辐射传输的孔隙尺度求解方法概述 32
2.2.1 泡沫材料辐射传输的模拟方法 32
2.2.2 辐射传输孔隙尺度求解的基本假设 33
2.2.3 泡沫材料辐射传输孔隙尺度求解的MCRT法基本原理 34
2.3 金属泡沫材料辐射传输的孔隙尺度数值求解方法 34
2.3.1 求解金属泡沫材料辐射传输的孔隙尺度MCRT法及概率模型 34
2.3.2 金属泡沫材料孔隙尺度辐射传输求解的空间剖分加速算法 37
2.3.3 基于孔隙尺度MCRT法模拟的金属泡沫表观辐射特性分析 40
2.3.4 基于孔隙尺度MCRT法模拟的金属泡沫等效介质辐射特性分析 46
2.4 陶瓷泡沫材料辐射传输的孔隙尺度数值求解方法 50
2.4.1 求解陶瓷泡沫材料辐射传输的孔隙尺度MCRT法及概率模型 50
2.4.2 基于孔隙尺度MCRT法模拟的陶瓷泡沫表观辐射特性分析 53
2.4.3 基于孔隙尺度MCRT法模拟的陶瓷泡沫等效介质辐射特性分析 55
2.5 泡沫材料辐射传输孔隙尺度数值求解的可靠性与局限性 59
参考文献 61
第3章 泡沫材料内热辐射传输的双尺度模拟方法 65
3.1 泡沫材料内热辐射传输双尺度模拟的基本思想 65
3.2 金属泡沫材料内热辐射传输的双尺度模拟方法 67
3.2.1 金属泡沫材料内热辐射传输的双尺度计算域构建 67
3.2.2 金属泡沫材料内热辐射传输的双尺度模拟的可靠性分析 69
3.3 陶瓷泡沫材料内热辐射传输的双尺度模拟方法 74
3.3.1 陶瓷泡沫材料内热辐射传输的双尺度计算域构建 74
3.3.2 陶瓷泡沫材料内热辐射传输的双尺度模拟的可靠性分析 76
参考文献 78
第4章 泡沫肋筋微结构的光谱辐射特性 79
4.1 泡沫肋筋微结构的光谱辐射传输分析方法 79
4.1.1 求解微尺度辐射传输的矩量法 80
4.1.2 求解微尺度辐射传输的FDTD法 81
4.1.3 光谱辐射特性与电磁学参量的关系 83
4.2 金属泡沫肋筋表面微结构的光谱辐射特性 84
4.2.1 金属泡沫肋筋表面微结构的计算电磁学建模 84
4.2.2 镍泡沫肋筋表面微结构的光谱半球反射特性 85
4.2.3 镍泡沫肋筋表面微结构的光谱方向散射特性 86
4.2.4 金属泡沫肋筋表面微结构的反射模型比较分析 89
4.3 陶瓷泡沫肋筋微结构的光谱辐射特性 91
4.3.1 陶瓷泡沫肋筋微结构的FDTD法建模 91
4.3.2 氧化铝陶瓷泡沫肋筋表面微结构的光谱反射特性 92
4.3.3 氧化铝陶瓷泡沫肋筋内部介质-微孔隙复合结构的光谱散射特性 95
参考文献 99
第5章 泡沫材料光谱辐射传输特性的获取方法 101
5.1 泡沫材料光谱辐射传输的多尺度特性 101
5.1.1 金属泡沫材料辐射传输的多尺度特性 101
5.1.2 陶瓷泡沫材料辐射传输的多尺度特性 102
5.2 泡沫材料光谱辐射传输的跨尺度预测方法 103
5.2.1 泡沫材料光谱辐射传输的跨尺度预测方法简介 103
5.2.2 两类泡沫材料光谱辐射传输的跨尺度预测流程 105
5.2.3 泡沫材料光谱辐射传输跨尺度预测方法的可靠性 106
5.3 金属镍与氧化铝两类泡沫材料光谱辐射传输特性的跨尺度预测 108
5.3.1 金属镍泡沫材料光谱辐射传输特性的跨尺度预测分析 108
5.3.2 氧化铝泡沫材料光谱辐射传输特性的跨尺度预测分析 111
5.4 泡沫材料光谱辐射特性参数的实验测量方法 115
5.4.1 泡沫材料光谱辐射特性的表征参数 115
5.4.2 常温泡沫材料光谱辐射传输特性的测量方法 116
5.4.3 高温泡沫材料光谱辐射传输特性的测量方法 119
5.4.4 基于实验测量的泡沫材料光谱辐射传输特性参数辨识方法 123
参考文献 126
第6章 金属镍与氧化铝泡沫材料的光谱辐射特性 130
6.1 金属镍泡沫材料的光谱辐射特性 130
6.1.1 金属镍泡沫材料的常温表观光谱辐射特性 130
6.1.2 金属镍泡沫材料的常温介质光谱辐射特性 132
6.1.3 金属镍泡沫材料光谱辐射特性的温度依赖性 135
6.2 氧化铝陶瓷泡沫材料的光谱辐射特性 137
6.2.1 氧化铝陶瓷泡沫材料的常温表观光谱辐射特性 137
6.2.2 氧化铝陶瓷泡沫材料的常温介质光谱辐射特性 138
6.3 两类泡沫材料辐射特性的主控机制与影响因素 140
6.3.1 耐高温金属泡沫材料的辐射特性的主控机制与影响因素 140
6.3.2 陶瓷泡沫材料的辐射特性的主控机制与影响因素 143
参考文献 148
第7章 泡沫材料高温耦合传热的孔隙尺度分析 149
7.1 泡沫材料辐射-导热高温耦合传热的孔隙尺度分析 149
7.1.1 泡沫材料辐射-导热高温耦合传热的孔隙尺度建模与求解方法 149
7.1.2 泡沫材料辐射-导热的孔隙尺度耦合传热特性 151
7.2 金属泡沫材料辐射-对流高温耦合传热的孔隙尺度分析 157
7.2.1 金属泡沫材料辐射-对流的孔隙尺度耦合建模 157
7.2.2 金属泡沫材料辐射-对流的孔隙尺度数值耦合求解方法 158
7.2.3 镍泡沫内辐射-对流的孔隙尺度耦合传热特性 162
7.2.4 基于μ-CT结构的泡沫内辐射-对流的孔隙尺度耦合建模简介 167
7.3 金属泡沫材料辐射-对流高温耦合传热的双尺度分析 168
7.3.1 金属泡沫材料辐射-对流高温耦合传热的双尺度分析方法 168
7.3.2 金属泡沫材料辐射-对流高温耦合传热特性 172
参考文献 181
第8章 泡沫材料内高温耦合传热的连续介质分析 184
8.1 泡沫材料内高温辐射-导热-对流的连续介质模型与控制方程 184
8.2 泡沫与气流的辐射-导热-对流耦合传热数值方法 187
8.2.1 泡沫骨架与气流的局部对流换热系数确定方法 187
8.2.2 泡沫材料辐射传热的连续介质数值求解方法简介 194
8.3 泡沫管内高温辐射-导热-对流的耦合传热特性 198
8.3.1 泡沫管内高温辐射-导热-对流耦合传热的数理模型 198
8.3.2 泡沫管内高温辐射-导热-对流的耦合特性及影响因素 200
参考文献 203
第9章 典型工程应用中的泡沫材料高温耦合传热 206
9.1 太阳能高温热转换技术中的泡沫材料耦合传热 206
9.1.1 太阳能高温热转换技术中的泡沫材料应用特点 206
9.1.2 太阳能高温热转换中泡沫材料的耦合传热分析方法 207
9.1.3 聚集太阳光入射下泡沫吸热芯内的高温耦合传热特性 212
9.2 基于泡沫材料的高超声速气动减阻降热技术 215
9.2.1 采用泡沫材料的高超声速气动减阻降热技术特点 215
9.2.2 高超声速流场中泡沫减阻降热结构的高温耦合传热模型 216
9.2.3 高超声速流场中泡沫结构的减阻降热机制与耦合传热特性 218
9.3 高温储热/换热一体化技术中的泡沫材料强化传热 227
9.3.1 高温储热/换热的泡沫材料强化技术原理及应用特点 227
9.3.2 泡沫强化高温储热/换热过程的耦合传热模型 228
9.3.3 泡沫强化的高温储热/换热过程耦合特性 232
9.4 耐高温泡沫材料在其他高温技术中的应用 240
9.4.1 耐高温泡沫材料在发汗冷却技术中的应用 240
9.4.2 耐高温泡沫材料在高速燃烧技术中的应用 243
参考文献 246
符号表 250
名词 250
英文字母 251
希腊字母 252

第1章 耐高温泡沫材料的结构特征及参数表征
　　耐高温泡沫材料通常采用耐高温金属和陶瓷制成，这类结构在高温下性能优异，且具有很高的比表面积和良好的渗透性。目前常见的耐高温泡沫材料有镍泡沫材料、高温合金泡沫材料、氧化铝泡沫材料、碳化硅泡沫材料、氧化锆泡沫材料、氧化铈泡沫材料等。在涉及高温的技术领域，这些耐高温泡沫材料有重要的应用需求。认识泡沫材料的高温传热机制和特性，不仅可为相关应用技术中的可靠热设计提供依据，而且可为此类功能材料的开发和新技术应用提供必要的理论基础。
　　为了研究这些耐高温泡沫材料的热辐射和高温耦合传热特性，需要先了解此类泡沫材料的基本结构特征，并建立有效的参数表征方法。
　　本章*先介绍金属泡沫、陶瓷泡沫两类耐高温泡沫材料的常见制造工艺、孔隙结构和肋筋微结构的基本特征，分析目前工业上常用的泡沫材料结构特征表征参数及其适用性。在此基础上，本章进一步给出两类耐高温泡沫材料的细观结构表征方法和部分参数信息。
　　1.1 高温金属泡沫材料的孔隙结构特征
　　1.1.1 高温金属泡沫材料的制造工艺及技术特点
　　金属泡沫是一种由金属基体及气孔组成的三维网络骨架复合材料，其孔隙尺寸一般在几百微米到几毫米之间，具有孔隙率高、比表面积大、孔隙结构多样、可设计等特点。金属泡沫既具有金属本身的性质，还具有多孔材料的特性，近年来备受关注且极具应用前景。
　　金属泡沫的制造可追溯到1948年，美国科学家Sosnick[1]利用汞在熔融铝中气化而得到铝泡沫，使人类**次有了金属泡沫的概念。1956年，Elliott[2]用TiH2和ZrH2代替有毒性的汞作为发泡剂制备出铝泡沫，改良了Sosnick的制备方法。1963年，Allen[3]发明了粉末致密化发泡技术，即粉末冶金方法，自此金属泡沫的制备及研究逐渐兴起[4]。
　　近年来，国内外已经发展了多种金属泡沫制造工艺，工艺中所处理金属的状态可分为液态、固态、气态和离子态，气孔的产生可分为直接和间接的方式。通过上述两者结合可形成不同的制备技术[5]。
　　除铝外，研究人员目前已制造出铜、钛、铅、锌、镍和钢等泡沫。对于不同结构要求和应用场合，所采用的制造工艺不同；同一金属材料利用不同工艺制造出的内部孔径、孔隙分布及骨架形貌也不同，综合性能和应用也会有所变化。图1-1是两种典型的开孔金属泡沫[6]，可以明显观察到相互连通的孔隙通道和三维固体骨架结构。
　　图1-1 两种典型的开孔金属泡沫[6]
　　根据生成气孔时金属状态的不同，金属泡沫的制造工艺可分为基于金属熔体的方法、基于金属粉末的方法、基于金属蒸气的方法和基于金属离子的方法[7]。目前，更为常见的分类方式是根据制造过程中所采用的关键技术，具体可分为铸造法、沉积法、烧结法、发泡法，以及近期迅速发展的增材制造法（即3D打印法）[8，9]。
　　1.铸造法
　　铸造法包括渗流铸造法与熔模铸造法，两者原理相似，都是先将熔融金属液注入装有填料的模型中，构成具有多孔结构的复合体，然后使用化学溶解法或者热处理的方法去除杂质，再经过冷却凝固之后得到金属泡沫[10]。
　　在渗流铸造法中，通常先将可去除固体颗粒填充物经预处理制成预制件，再将其放入模具升温预热，然后浇入熔融金属，使其渗入预制块中，待金属冷却凝固后得到三维网状金属填料复合体，*后将填料颗粒去除即可。该方法制造成本不高，适用于铝、镁、锌、铅、锡等熔点较低的金属，可通过所选填料颗粒的大小来控制金属泡沫的孔径尺寸，但孔隙率受限（*大约80%），较难获得大尺寸制品且工艺较复杂。
　　熔模铸造法采用三维网状聚合物泡沫和耐火材料作为填充物，先经干燥硬化、焙烧处理，使得泡沫材料汽化挥发、耐火材料硬化，得到具有泡沫状孔穴的预制体，再浇注金属液，待金属液冷却凝固后去除耐火材料即可。该方法所制备金属泡沫的孔结构易于控制、孔隙连通、孔隙率高，但工艺过程环节多、生产效率低、价格高，产品的比强度、比刚度不突出。
　　2.沉积法
　　沉积法是指采用物理或化学的方法，先把金属沉积在容易分解且具有一定孔隙结构的有机物上（如聚氨酯泡沫、聚丙烯泡沫等），再采用热处理或化学溶解的方法去除内部有机体材料。常用的沉积法有电沉积法和气相沉积法等[11]。
　　电沉积法是指以聚合物泡沫为基体，通过基材预处理、导电化处理、电沉积和还原烧结等步骤获得开孔金属泡沫。目前，普遍采用电沉积进行高孔隙率金属材料的大规模制备，其产品不但孔隙率高（达80%～99%），而且孔隙结构易于控制，孔结构分布均匀，孔隙相互连通，但受到极限电流密度的限制，沉积速度较慢，投资大，生产效率低，成本高。另外，喷射电沉积法是一种局部高速电沉积技术，比电沉积法效率高，但孔结构均匀性差。
　　气相沉积法是在真空条件下将金属或者金属化合物加热挥发成金属蒸气，然后沉积在具有一定形状的聚合物基体上，形成一定厚度的金属沉积层，待其冷却后采用化学或热处理的方法将聚合物去除。该方法适合任何金属和合金，制得孔隙率高、孔径规则，但对设备要求高、沉积速度慢、成本高。
　　3.烧结法
　　金属粉末烧结法是指用金属粉末作原料，通过添加或者不添加成孔剂、无压或者有压成型，再高温烧结进行制造。采用此法制备的金属泡沫，其孔径与孔隙率可调（可达70%～90%），比表面积大，耐高低温等，且生产效率较高、造价低，但材料强度低、孔隙分布和孔隙大小不均匀。进一步发展出了浆料烧结法（或称支撑烧结法），其工艺过程为：先将金属粉末和某些添加剂调配成浆料，再以聚合物泡沫作为临时支撑体，待浆料覆盖支撑体并干燥后，通过加热去除聚合物，*后烧结制备。该方法的优点是制备简便、孔隙率高、孔径规则；缺点是孔结构受限于支撑体的孔结构，主要用于制备铝、钛、镍等金属泡沫[8]。
　　金属纤维烧结法是以金属纤维为原料进行制备，与金属粉末烧结法制备的产品相比，此方法制备的产品的渗透率更高，孔隙率高（可达95%），比表面积大。该方法制备成本较低、周期较短，但整体力学性能不高。
　　采用中空球烧结法制备的泡沫材料，不仅结构均匀、性能近于各向同性，且比强度、比刚度表现良好，但其孔隙率相对较低，一般为40%～55%。其中，空心球制备成本较高，主要用于制备高熔点耐热合金泡沫。
　　4.发泡法
　　发泡法是通过向金属液中加入发泡剂或吹入气泡使金属发泡的方法。
　　气体发泡法是将金属熔体与增黏剂融合，然后将气体直接吹入熔融体中冷却得到多孔结构。该方法操作简单、成本低廉、生产效率高，可达到较高的孔隙率（80%～97.5%），但发泡过程难以控制、孔结构不均匀、力学性能不突出。
　　熔融金属发泡法是指在金属熔体中加入增黏剂，使其黏度提高，然后加入发泡剂，发泡剂经高温分解产生气体，气体膨胀使金属发泡，合适的黏度可以确保气泡相对稳定、不逸散[10]。常见的增黏剂为Ca和MnO2，加入量一般为1.5%～3.0%；也可向熔融金属中吹入氧气、空气或其他气体，原位合成金属氧化物，并将其作为增黏剂[12]。发泡剂通常采用的是TiH2、ZrH2、CaH2、ErH2等粉末状金属氢化物。该方法简单、成本不高，可以达到较高孔隙率（91%～93%），但孔不连通、工艺过程难控制、气泡分布及大小不均匀。
　　粉末发泡法是指将金属粉末和发泡剂粉末混合并压实，然后在基体金属的熔点附近进行热处理，使发泡剂分解，其释放出的气体迫使压实的坯体膨胀。该方法可较为理想地控制泡沫材料孔隙率，且气孔大小均匀性较好，可以直接得到结构形状比较复杂的样件，无须进一步加工，产品力学性能较好；但工艺过程中若控制不当，容易产生大量缺陷，且该方法成本高，往往适用于延展性好的金属材料。
　　5.增材制造法
　　增材制造法是一种按照既定模型通过连续增添材料薄层*终实现三维成型的制造技术。3D打印法能够获得结构复杂的产品而无须使用其他的辅助设备，突破了传统加工工艺的限制，并且可以在计算机模型中设计孔隙率及孔结构，因此可制造出孔隙率高、形状复杂的泡沫材料。常见增材制造法主要有以下三种。
　　（1）选择性激光烧结法：集计算机辅助设计、激光烧结、快速成型于一体，通过逐层烧结固化粉末来生产金属泡沫材料。自由成型有助于制备形状各异、结构复杂的零件。该方法相对简单，孔隙形貌、孔径及孔隙率等结构参数可通过设定不同的激光功率与激光扫描速度来进行调整，但受限于孔的形成机制，难以获得尺度较小的孔隙，且存在孔径范围较大、均匀性较差的问题[5]。
　　（2）选择性激光熔化法：通过激光扫描使金属粉末完全熔融，熔融的粉末颗粒可以增强颗粒之间的结合力，进而改善产品的力学性能。该方法包括添加造孔剂法和不添加造孔剂法，虽能够生产不受几何约束的复杂结构，但存在初始成本较高、尺寸限制严格、孔隙成型精度有限等不足[5]。
　　（3）电子束选区熔化法：基于粉末床熔融的快速原型制备工艺，以电子束作为输出热源逐层辐射来熔化金属粉末，具有功率大、能量利用率高、对焦方便、可加工材料广泛和加工效率高等优势。利用该方法可以自由地对材料进行设计，并可进行直接成型，无须二次加工，但仍存在制备成本较高、产品尺寸受限等问题。
　　可以看出，目前的三类金属泡沫制备技术各有特色和优缺点。随着应用需求的发展，金属泡沫的性能面临新的挑战，如性能多元化、结构定向设计等。因此，制造工艺优化、性能升级、产品多功能、高品质低成本、复杂样件快速成型是金属泡沫制备技术发展的必然趋势。
　　1.1.2 典型高温金属泡沫材料结构的μ-CT和SEM扫描分析
　　如前所述，不同制造工艺所获得的金属泡沫在孔隙和微细观结构上存在一定差异。因此，在开展泡沫材料的热辐射与高温传热特性研究之前，有必要进行泡沫材料三维孔隙形貌特征及骨架结构几何信息的获取与分析。
　　泡沫材料的骨架呈现三维空间随机网络结构，需要采用无损、非侵入的三维成像技术才能获得其内部具体特征，如显微计算机断层扫描（micro-computedtomography，μ-CT）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等技术。对于泡沫材料肋筋的表面微结构信息，可采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）这类微细观测量设备进行直接观察测量。
　　扫描电子显微镜利用聚焦的高能电子束来扫描待测样件，其原理是依据电子与物质的相互作用，激发出二次电子、背散射电子、X射线等物理信号，对样件细微的表面物理形态进行高倍率放大观察。利用该技术能够快速得到二维表面的微结构信息，精度可达几纳米。
　　采用扫描电子显微镜对铜泡沫和镍泡沫测试样件在不同位置、不同分辨率下进行扫描，得到SEM图像如图1-2所示。这两种泡沫材料的制造工艺均是电沉积法，孔隙结构参数为：孔隙率为0.9，孔密度为10PPI（pores per inch）。从整体来看，两者孔隙形貌差异不大，但镍泡沫的肋筋表面存在一些离散的凸包，而铜泡沫的肋筋表面相对光滑一些。由此可以看出，本身材质对加工出来的样件结构特征也有一定影响。
　　图1-2 两种金属泡沫的SEM图像
　　虽然利用扫描电子显微镜能够对泡沫材料实现高精度的微结构信息观测，但此技术获取的扫描结果为二维灰度信息图片，无法直接获取三维结构空间分布特征，不能实现泡沫结构的三维重构建模。
　　计算机断层扫描技术则是根据不同部位对X射线的吸收率不同，通过多角度的扫描，对不同角度扫描的图片重构，进而得到扫描样件的三维立体几何信息，能够在一定扫描精度和尺寸范围内实现待测样件的结构还原，再现样件的三维空间结构和一定分辨精度情况下的形貌特征。该类技术的特点是无损伤、高精度，同时可以提供三维表面结构信息和内部固体骨架的空间结构信息。
　　从结构上看，泡沫材料可以看作一种由固体骨架和孔隙相（一般为空气）共同组成的两相材料。利用二者对X射线