新一代3D打印催化劑—助力高超音速飛行

來源：江蘇激光聯(lián)盟

RMIT團(tuán)隊(duì)研究的3D打印催化劑可用于為高超音速飛行提供動力，同時(shí)冷卻系統(tǒng)，助力高超音速飛行。

X-43A系列高超音速研究飛行器作為美國宇航局Hyper-X計(jì)劃的一部分，在2004年創(chuàng)造了航空新紀(jì)錄，速度超過10000公里/小時(shí)。來源：NASA

超高效的3D打印催化劑可以幫助解決高超音速飛機(jī)過熱的挑戰(zhàn)，并為無數(shù)行業(yè)的熱管理提供革命性的解決方案。由澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT University)研究人員開發(fā)的催化劑優(yōu)勢明顯——制造成本低、用途廣泛、易于推廣。

該研究發(fā)表在化學(xué)學(xué)會期刊《Chemical Communications》上。首席研究員Selvakannan Periasamy博士稱他們的研究解決了高超音速飛機(jī)發(fā)展中最大的一個(gè)挑戰(zhàn)——控制飛機(jī)在超5倍音速飛行時(shí)產(chǎn)生的熱量。

Periasamy解釋說：“我們的實(shí)驗(yàn)室測試表明，我們開發(fā)的3D打印催化劑在推動高超音速飛行方面有著巨大的潛力。它們功能強(qiáng)大且高效，為航空及其他領(lǐng)域的熱量管理提供了一個(gè)可行的解決方案，對此我們感覺備受振奮，畢竟過熱是多行業(yè)無時(shí)不在的挑戰(zhàn)。隨著未來進(jìn)一步發(fā)展，我們相信這種新一代超高效3D打印催化劑可用來改造工業(yè)領(lǐng)域。

更快飛行速度
在實(shí)驗(yàn)中，只有少數(shù)飛機(jī)達(dá)到了高超音速(即5馬赫以上，超過每小時(shí)6100公里或每秒1.7公里)。理論上，一架高超音速飛機(jī)可以在四個(gè)小時(shí)內(nèi)從倫敦飛往悉尼，但這尚未成為現(xiàn)實(shí)，高超音速航空旅行的發(fā)展仍然面臨極端高溫等多種挑戰(zhàn)。

該研究的第一作者和博士研究員 Roxanne Hubesch解釋說：“使用燃料作為冷卻劑是解決過熱問題最有希望的實(shí)驗(yàn)方法之一。為飛機(jī)提供動力時(shí)能同時(shí)吸收熱量的燃料一直是科學(xué)家們關(guān)注的重點(diǎn)，但這一設(shè)想依賴于需要高效催化劑的耗熱化學(xué)反應(yīng)。此外，由于高超音速飛機(jī)的體積和重量限制，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須盡可能小�！�

為了制造適合的催化劑，該團(tuán)隊(duì)3D打印了金屬合金制成的微型熱交換器，并在它們上面涂上了被稱為沸石的合成礦物質(zhì)。研究人員在實(shí)驗(yàn)室復(fù)刻了燃料在高超音速時(shí)的極端溫度和壓力，以精準(zhǔn)測試其設(shè)計(jì)樣品的功效。

3D打印催化劑的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 來源：RMIT

(a)SLM激光熔融打印的鉻鎳鐵合金晶格結(jié)構(gòu) (b)從SLM晶格結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡-X射線衍射分析獲得的元素比例 (c和d)掃描電子顯微鏡圖像獲得的晶格結(jié)構(gòu)(x50和x1500)。

更微型化學(xué)反應(yīng)器
當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)逐漸升溫時(shí)，一些金屬會進(jìn)入沸石框架——這一過程正可體現(xiàn)新催化劑前所未有的功效。Hubesch說：“我們的3D打印催化劑就像微型化學(xué)反應(yīng)器，金屬和合成礦物的混合讓其具有‘奇效’。這一研究令人十分振奮，但我們必須承認(rèn)還需要更多的研究來充分理解這一過程，并確定金屬合金的最佳組合，以推動成果最大化�！�

RMIT高級材料和工業(yè)化學(xué)中心(CAMIC)的研究團(tuán)隊(duì)在未來會持續(xù)深入研究，包括通過用X射線同步加速器等其他深入分析方法研究3D打印催化劑來不斷優(yōu)化催化劑。研究人員還希望將這項(xiàng)工作的應(yīng)用擴(kuò)展到車輛和微型設(shè)備的空氣污染控制中，以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量——這在抗擊新冠肺炎之類的空氣傳播呼吸道病毒尤其重要，可謂恰逢其時(shí)！

CAMIC主任、特聘教授Suresh Bhargava表示，現(xiàn)階段價(jià)值萬億美元的化學(xué)工業(yè)在很大程度上仍基于舊的催化技術(shù)。Bhargava說：“這種第三代催化技術(shù)可以與3D打印相結(jié)合，創(chuàng)造出前所未有的新型復(fù)雜設(shè)計(jì)。這種3D打印催化劑代表了一種全新的方法，它具有強(qiáng)大潛力，可以徹底改變?nèi)�球催化的未來。�?nbsp; 3D打印催化劑是在數(shù)字制造設(shè)施中使用激光粉末床融合( Laser Powder Bed Fusion，L-PBF))技術(shù)生產(chǎn)的，該設(shè)施是RMIT先進(jìn)制造的一部分。Bhargava和數(shù)字制造設(shè)施主任Milan Brandt教授將3D打印催化劑和化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的想法概念化。

正如該項(xiàng)研究的合著者、來自RMIT增材制造中心的Maciej Mazur博士所言，這項(xiàng)工作是通過跨學(xué)科合作實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的一個(gè)強(qiáng)有力的例子，證明將增材制造與化學(xué)科學(xué)相結(jié)合可產(chǎn)生突破性的成果。不僅是對于航空、化學(xué)工業(yè)的重要建設(shè)，對于跨學(xué)科研究與應(yīng)用也多有裨益！

來源：RMIT官網(wǎng)，PHYS ORG。Roxanne Hubesch et al, Zeolites on 3D-printed open metal framework structure: metal migration into zeolite promoted catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicles, Chemical Communications (2021). DOI: 10.1039/D1CC04246G