為高超音速飛行提供冷卻裝置，科學家利用3D打印技術開發(fā)出高效率熱交換器

2021年9月9日，南極熊獲悉，來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出新一代的3D打印冷卻裝置，這可能是解決高超音速飛行最大問題之一的關鍵。

所謂的3D打印冷卻催化劑，本質(zhì)上是涂有被稱為沸石的合成礦物質(zhì)的金屬熱交換器。它們打印起來很有成本效益，而且容易擴展，使用噴氣燃料作為冷卻劑來控制其周圍環(huán)境的溫度。研究小組認為這一進展有可能解決高溫應用中的過熱問題，如高超音速飛行。

負責該研究的首席研究員Selvakannan Periasamy博士說："實驗室測試表明，我們開發(fā)的3D打印催化劑未來在為高超音速飛行提供燃料方面具有很大的前景。它們強大而高效，為航空業(yè)和其他領域的熱管理提供了一個令人興奮的潛在解決方案。隨著進一步的發(fā)展，我們希望這種新一代的超高效3D打印催化劑可以被用來改變發(fā)熱量過高的工業(yè)難題。"

△一系列3D打印催化劑的實驗設計。照片來自皇家墨爾本理工大學

溫度控制的問題

高超音速飛行被定義為超過5馬赫（5倍音速）的速度，或每小時6500公里。以最大速度運行，理論上高超音速飛機可以在三個小時內(nèi)從歐洲飛到澳大利亞。不幸的是，只有少數(shù)實驗性飛機曾經(jīng)達到過5馬赫，因為有幾個工程上的挑戰(zhàn)使它變得難以置信的困難。最大的障礙之一是保持飛機冷卻，因為以這樣的速度旅行會產(chǎn)生極度的熱量。

據(jù)此項研究的共同作者Roxanne Hubesch稱，將燃料重新利用作為冷卻劑是處理過熱問題的最有希望的方法之一。

她補充說："能夠在為飛機提供動力的同時吸收熱量的燃料是科學家們關注的一個重點，但是這種想法依賴于需要高效催化劑的耗熱化學反應"。

由于高超音速飛機部件的尺寸和質(zhì)量限制，催化劑需要盡可能的小。因此，該團隊使用SLM3D打印技術來制造他們的熱交換器，并在其上涂上沸石，將其變成最終可用的催化劑。

△作為NASAHyper-X計劃的一部分，X-43A高超音速研究飛行器在2004年達到了9.6馬赫以上的速度。圖片來自美國宇航局

一個小規(guī)模的化學反應器

那么，這些催化劑究竟是如何工作的呢？當3D打印結(jié)構(gòu)受熱時，一些基本金屬材料會進入沸石涂層。這就是使流經(jīng)打印結(jié)構(gòu)的燃料發(fā)生內(nèi)熱（吸熱）反應的原因，在此過程中冷卻周圍環(huán)境。當在實驗室里用模擬的溫度和壓力測試他們打印的催化劑的功能時，研究人員發(fā)現(xiàn)它們具有前所未有的效率。

△催化反應機理

"我們的3D打印催化劑就像微型化學反應器，它們能以難以置信的高效方式完成金屬和合成礦物的混合，"Hubesch解釋說。"這是催化作用一個令人興奮的的新方向，但我們需要更多的研究來充分了解這個過程，并確定金屬合金的最佳組合，以獲得最佳的效果。"

就未來的工作而言，RMIT團隊打算利用X射線同步輻射技術和其他先進的分析方法來優(yōu)化3D打印的催化劑。他們希望該技術的潛在應用可以擴展到車輛的空氣污染控制和室內(nèi)空間的空氣質(zhì)量裝置。

皇家墨爾本理工大學先進材料和工業(yè)化學中心主任Suresh Bhargava說："這種第三代催化技術可以與3D打印技術聯(lián)系起來，創(chuàng)造出以前無法實現(xiàn)的新的復雜設計。我們新的3D打印催化劑代表了一種激進的新方法，真正有可能徹底改變?nèi)�世界催化的未來�?

這項研究的進一步細節(jié)可以在題為 "Zeolites on3D-printed open metal framework structure: metal migration into zeolitepromoted catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicles"的論文中找到。它是由Suresh Bhargava, Roxanne Hubesch, Selvakannan Periasamy等人共同撰寫的。

相關論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/CC/D1CC04246G

自動冷卻：一種3D打印應用

3D打印技術的一個更小眾的應用是自動冷卻裝置。就在上個月，美國的一個研究小組利用3D打印技術創(chuàng)造了一種新型的、高度可配置的超材料，具有可修改的熱和電磁特性。這種超材料的可重構(gòu)性使其具有多功能性，有可能應用于微處理器、飛機和建筑物的主動冷卻。

在其他地方，3D打印機制造商3DSystems此前與歐洲核研究組織（CERN）合作，為大型強子對撞機（LHC）3D打印冷卻部件。具體來說，是合作商使用DMP Flex 350 PBF系統(tǒng)打印了一套定制的鈦合金冷卻棒，用于粒子探測實驗，而這些部件憑借常規(guī)手段無法制造。