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團隊研究的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計劃的一部分，在2004年創(chuàng)造了航空新紀錄，速度超過10000公里/小時。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(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)表在化學學會期刊《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發(fā)展中最大的一個挑戰(zhàn)——控制飛機在超5倍音速飛行時產(chǎn)生的熱量。

Periasamy解釋說：“我們的實驗室測試表明，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。它們功能強大且高效，為航空及其他領(lǐng)域的熱量管理提供了一個可行的解決方案，對此我們感覺備受振奮，畢竟過熱是多行業(yè)無時不在的挑戰(zhàn)。隨著未來進一步發(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
在實驗中，只有少數(shù)飛機達到了高超音速(即5馬赫以上，超過每小時6100公里或每秒1.7公里)。理論上，一架高超音速飛機可以在四個小時內(nèi)從倫敦飛往悉尼，但這尚未成為現(xiàn)實，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驗方法之一。為飛機提供動力時能同時吸收熱量的燃料一直是科學家們關(guān)注的重點，但這一設想依賴于需要高效催化劑的耗熱化學反應。此外，由于高超音速飛機的體積和重量限制，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，該團隊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)。研究人員在實驗室復刻了燃料在高超音速時的極端溫度和壓力，以精準測試其設計樣品的功效。

3D打印催化劑的實驗設計 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)。

更微型化學反應器
當3D打印結(jié)構(gòu)逐漸升溫時，一些金屬會進入沸石框架——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反應器，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)化學中心(CAMIC)的研究團隊在未來會持續(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工作的應用擴展到車輛和微型設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！

CAMIC主任、特聘教授Suresh Bhargava表示，現(xiàn)階段價值萬億美元的化學工業(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雜設計。這種3D打印催化劑代表了一種全新的方法，它具有強大潛力，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，該設施是RMIT先進制造的一部分。Bhargava和數(shù)字制造設施主任Milan Brandt教授將3D打印催化劑和化學反應器設計的想法概念化。

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

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