为高超音速飞行提供冷却装置，科学家利用3D打印技术开发出高效率热交换器

颗粒在线讯：2021年9月9日，来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员已经开发出新一代的3D打印冷却装置，这可能是解决高超音速飞行最大问题之一的关键。

所谓的3D打印冷却催化剂，本质上是涂有被称为沸石的合成矿物质的金属热交换器。它们打印起来很有成本效益，而且容易扩展，使用喷气燃料作为冷却剂来控制其周围环境的温度。研究小组认为这一进展有可能解决高温应用中的过热问题，如高超音速飞行。

负责该研究的首席研究员Selvakannan Periasamy博士说："实验室测试表明，我们开发的3D打印催化剂未来在为高超音速飞行提供燃料方面具有很大的前景。它们强大而高效，为航空业和其他领域的热管理提供了一个令人兴奋的潜在解决方案。随着进一步的发展，我们希望这种新一代的超高效3D打印催化剂可以被用来改变发热量过高的工业难题。"

△一系列3D打印催化剂的实验设计。照片来自皇家墨尔本理工大学

温度控制的问题

高超音速飞行被定义为超过5马赫（5倍音速）的速度，或每小时6500公里。以最大速度运行，理论上高超音速飞机可以在三个小时内从欧洲飞到澳大利亚。不幸的是，只有少数实验性飞机曾经达到过5马赫，因为有几个工程上的挑战使它变得难以置信的困难。最大的障碍之一是保持飞机冷却，因为以这样的速度旅行会产生极度的热量。

据此项研究的共同作者Roxanne Hubesch称，将燃料重新利用作为冷却剂是处理过热问题的最有希望的方法之一。

她补充说："能够在为飞机提供动力的同时吸收热量的燃料是科学家们关注的一个重点，但是这种想法依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应"。

由于高超音速飞机部件的尺寸和质量限制，催化剂需要尽可能的小。因此，该团队使用SLM3D打印技术来制造他们的热交换器，并在其上涂上沸石，将其变成最终可用的催化剂。

△作为NASAHyper-X计划的一部分，X-43A高超音速研究飞行器在2004年达到了9.6马赫以上的速度。图片来自美国宇航局

一个小规模的化学反应器

那么，这些催化剂究竟是如何工作的呢？当3D打印结构受热时，一些基本金属材料会进入沸石涂层。这就是使流经打印结构的燃料发生内热（吸热）反应的原因，在此过程中冷却周围环境。当在实验室里用模拟的温度和压力测试他们打印的催化剂的功能时，研究人员发现它们具有前所未有的效率。

△催化反应机理

"我们的3D打印催化剂就像微型化学反应器，它们能以难以置信的高效方式完成金属和合成矿物的混合，"Hubesch解释说。"这是催化作用一个令人兴奋的的新方向，但我们需要更多的研究来充分了解这个过程，并确定金属合金的最佳组合，以获得最佳的效果。"

就未来的工作而言，RMIT团队打算利用X射线同步辐射技术和其他先进的分析方法来优化3D打印的催化剂。他们希望该技术的潜在应用可以扩展到车辆的空气污染控制和室内空间的空气质量装置。

皇家墨尔本理工大学先进材料和工业化学中心主任Suresh Bhargava说："这种第三代催化技术可以与3D打印技术联系起来，创造出以前无法实现的新的复杂设计。我们新的3D打印催化剂代表了一种激进的新方法，真正有可能彻底改变全世界催化的未来。"

这项研究的进一步细节可以在题为 "Zeolites on3D-printed open metal framework structure: metal migration into zeolitepromoted catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicles"的论文中找到。它是由Suresh Bhargava, Roxanne Hubesch, Selvakannan Periasamy等人共同撰写的。

相关论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/CC/D1CC04246G

自动冷却：一种3D打印应用

3D打印技术的一个更小众的应用是自动冷却装置。就在上个月，美国的一个研究小组利用3D打印技术创造了一种新型的、高度可配置的超材料，具有可修改的热和电磁特性。这种超材料的可重构性使其具有多功能性，有可能应用于微处理器、飞机和建筑物的主动冷却。

在其他地方，3D打印机制造商3DSystems此前与欧洲核研究组织（CERN）合作，为大型强子对撞机（LHC）3D打印冷却部件。具体来说，是合作商使用DMP Flex 350 PBF系统打印了一套定制的钛合金冷却棒，用于粒子探测实验，而这些部件凭借常规手段无法制造。