法國(guó)航天局探索用陶瓷3D打印改進(jìn)空間推進(jìn)系統(tǒng)

2022年5月26日，南極熊獲悉，法國(guó)航天局（CNES）正在開(kāi)展一項(xiàng)3D打印的氧化物陶瓷材料如何能夠改善空間推進(jìn)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的研究。

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)一種優(yōu)化的釔鋁石榴石（YAG）異質(zhì)材料，在3D打印成復(fù)雜的形狀時(shí)提供理想的強(qiáng)度和抗蠕變特性。據(jù)法國(guó)國(guó)家空間研究中心稱，這些增材制造的YAG陶瓷可以構(gòu)成未來(lái)用于深空探測(cè)的渦輪葉片的金屬合金的基礎(chǔ)。

△3D打印的YAG陶瓷結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自《Scientific Reports》。

應(yīng)用于太空的陶瓷3D打印

由于材料的理想機(jī)械性能和增材制造技術(shù)帶來(lái)的幾何設(shè)計(jì)的可能性，3D打印陶瓷正在越來(lái)越多地被探索用于一系列與太空有關(guān)的應(yīng)用。

幾年來(lái)，3D打印陶瓷已被用于創(chuàng)建下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)型部件，以及其他的新型的、航空航天應(yīng)用。處于陶瓷創(chuàng)新前沿的一家公司是CeramTec，它曾與歐洲航天局（ESA）和空客公司合作，為國(guó)際空間站（ISS）上的空間實(shí)驗(yàn)設(shè)施制備新一代的陶瓷樣品容器。

國(guó)際空間站也是"太空制造"的陶瓷制造設(shè)施--渦輪機(jī)陶瓷制造模塊（CMM）的所在地，該模塊包含一臺(tái)SLA 3D打印機(jī)，以展示在微重力環(huán)境下制造單件陶瓷渦輪機(jī)部件的可行性。

最近，數(shù)字復(fù)合制造（DCM）3D打印平臺(tái)開(kāi)發(fā)商Fortify與陶瓷3D打印專家Tethon 3D合作，開(kāi)發(fā)用于增材制造的新技術(shù)陶瓷，包括火箭噴嘴等極端溫度部件。

在其他地方，3D打印服務(wù)局3DCeram與CNES分拆出來(lái)的Anywaves合作，為小型衛(wèi)星設(shè)計(jì)3D打印陶瓷天線，而奧地利工程公司Incus目前正在與歐空局和陶瓷3D打印專家Lithoz合作，探索如何將月球表面可用的廢舊金屬加工成3D打印月球站的備件。

△美國(guó)宇航局工程師Kate Rubins在國(guó)際空間站上安裝的CMM旁邊。圖片來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局。

改進(jìn)空間推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CNES關(guān)于氧化物陶瓷的最新研究和開(kāi)發(fā)工作有望改善空間推進(jìn)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以提高液體推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

目前，金屬合金允許工作的最高溫度限制了液體推進(jìn)火箭渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)性能。據(jù)該機(jī)構(gòu)稱，在渦輪機(jī)部件中引入抗蠕變的氧化物陶瓷可以幫助提高循環(huán)溫度，從而改善深空探索任務(wù)中的性能。

選擇YAG陶瓷是因?yàn)樗�在高溫下具有理想的機(jī)械性能，特別是它的高強(qiáng)度，在1000攝氏度以上的溫度下具有良好的蠕變行為，低熱導(dǎo)率，物理和化學(xué)穩(wěn)定性，以及它對(duì)水蒸氣腐蝕的高抗性。

目前，由于其成本低、使用方便，擠壓技術(shù)是最廣泛使用的陶瓷直接成型技術(shù)之一。雖然增材制造在過(guò)去被用來(lái)打印YAG陶瓷，但該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)大工藝規(guī)模和生產(chǎn)更大量的潛在挑戰(zhàn)，例如雜質(zhì)的形成。

因此，他們開(kāi)始改進(jìn)和擴(kuò)展制備YAG凝膠的工藝和凝膠中液體在室溫下蒸發(fā)后留下的生坯，并調(diào)查所制備的漿料的可打印性。

△YAG凝膠的制備方案。圖片來(lái)自《Scientific Reports》。

降低成本和節(jié)約能源

利用這一技術(shù)，CNES團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)為 "laboratory scale"合成設(shè)計(jì)的方案，成功地?cái)U(kuò)大了YAG凝膠的生產(chǎn)規(guī)模。研究人員使用干燥的YAG凝膠配制成糊狀，可以使用建筑3D打印公司W(wǎng)ASP的Delta WASP 2040粘土3D打印機(jī)進(jìn)行3D打印。

然后在不同的溫度下對(duì)打印出來(lái)的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行煅燒，以監(jiān)測(cè)異構(gòu)凝膠向YAG陶瓷結(jié)晶的轉(zhuǎn)化。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)證明了在1550-1700℃的熱處理后燒結(jié)并獲得粘性陶瓷片的可能性。

該團(tuán)隊(duì)還觀察到，他們的聯(lián)合制備和3D打印過(guò)程能夠降低成本和能源，因此將作為一個(gè)節(jié)能過(guò)程受到工業(yè)部門的贊賞。特別是，法國(guó)國(guó)家空間研究中心的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，為太空探索制造陶瓷渦輪機(jī)部件是他們的3D打印YAG凝膠的一個(gè)極有前途的應(yīng)用。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《Scientific Reports》雜志上發(fā)表的題為："YAG異膠的合成和機(jī)器人鑄造：陶瓷的一步轉(zhuǎn)換/Synthesis and robocasting of YAG xerogel: one-step conversion of ceramics"的論文中找到。這項(xiàng)研究的共同作者是N. Flores-Martinez, L. Quamara, F. Remondiere, J. Jouin, G. Fiore, S. Oriol, and S. Rossignol。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-12204-6