為高超音速飛行提供冷卻裝置，科學(xué)家利用3D打印技術(shù)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(xué)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(guān)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(kuò)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(rèn)為這一進(jìn)展有可能解決高溫應(yīng)用中的過熱問題，如高超音速飛行。

負(fù)責(zé)該研究的首席研究員Selvakannan Periasamy博士說："實(shí)驗(yàn)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(qiáng)大而高效，為航空業(yè)和其他領(lǐng)域的熱管理提供了一個令人興奮的潛在解決方案。隨著進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計。照片來自皇家墨爾本理工大學(xué)

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(yùn)行，理論上高超音速飛機(jī)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(shí)驗(yàn)性飛機(jī)曾經(jīng)達(dá)到過5馬赫，因?yàn)橛袔讉�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(jī)冷卻，因?yàn)橐赃@樣的速度旅行會產(chǎn)生極度的熱量。

據(jù)此項(xiàng)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(bǔ)充說："能夠在為飛機(jī)提供動力的同時吸收熱量的燃料是科學(xué)家們關(guān)注的一個重點(diǎn)，但是這種想法依賴于需要高效催化劑的耗熱化學(xué)反應(yīng)"。

由于高超音速飛機(jī)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(tuán)隊(duì)使用SLM3D打印技術(shù)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(dá)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(xué)反應(yīng)器

那么，這些催化劑究竟是如何工作的呢？當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)受熱時，一些基本金屬材料會進(jìn)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(yīng)的原因，在此過程中冷卻周圍環(huán)境。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)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(yīng)機(jī)理

"我們的3D打印催化劑就像微型化學(xué)反應(yīng)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(tuán)隊(duì)打算利用X射線同步輻射技術(shù)和其他先進(jìn)的分析方法來優(yōu)化3D打印的催化劑。他們希望該技術(shù)的潛在應(yīng)用可以擴(kuò)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(xué)先進(jìn)材料和工業(yè)化學(xué)中心主任Suresh Bhargava說："這種第三代催化技術(shù)可以與3D打印技術(shù)聯(lián)系起來，創(chuàng)造出以前無法實(shí)現(xiàn)的新的復(fù)雜設(shè)計。我們新的3D打印催化劑代表了一種激進(jìn)的新方法，真正有可能徹底改變?nèi)�世界催化的未來�?

這項(xiàng)研究的進(jìn)一步細(xì)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(guān)論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/CC/D1CC04246G

自動冷卻：一種3D打印應(yīng)用

3D打印技術(shù)的一個更小眾的應(yīng)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(shù)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(yīng)用于微處理器、飛機(jī)和建筑物的主動冷卻。

在其他地方，3D打印機(jī)制造商3DSystems此前與歐洲核研究組織（CERN）合作，為大型強(qiáng)子對撞機(jī)（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(shí)驗(yàn)，而這些部件憑借常規(guī)手段無法制造。