研究

科学家利用3D打印技术开发喷气燃料驱动的热交换器

研究人员丽都大学,澳大利亚,已经开发了一套下一代3D打印冷却设备,这可能是解决高超音速飞行最大问题之一的关键。

这种3D打印的催化剂,正如他们所说的,本质上是金属热交换器,包裹着被称为沸石的合成矿物。它们打印成本低,易于缩放,并且使用喷气燃料作为冷却剂来控制周围环境的温度。研究小组认为,这一进步有可能解决高超音速飞行等高温应用中的过热问题。

研究人员的Lead研究人员Selvakannan PeriaSamy博士说:“我们的实验室测试显示了3D印刷催化剂,我们开发出了促进超音速飞行的未来具有极大的承诺。强大而有效,它们为航空和超越的航空中的热管理提供了令人兴奋的潜在解决方案。通过进一步的发展,我们希望这一新一代超高效的3D印刷催化剂可用于改变任何工业过程,其中过热是一个往往的挑战。“

3D打印催化剂的一系列实验设计。照片通过RMIT大学拍摄。
3D打印催化剂的一系列实验设计。照片通过RMIT大学拍摄。

温度控制的问题

高超音速飞行被定义为5马赫(音速的五倍)以上的速度,或6500公里/小时。高超音速飞机以最大速度飞行,理论上可以在三小时内从欧洲飞往澳大利亚。不幸的是,只有少数实验飞机达到了马赫数5,因为有几个工程上的挑战使其变得极其困难。最大的障碍之一是保持飞机冷却,因为以这样的速度飞行会产生极高的热量。

根据合著者Roxanne Hubesch的说法,将燃料重新用作冷却剂是解决过热问题最有希望的方法之一。

她补充说:“为飞机提供动力的燃料是科学家们关注的重点,但这一想法依赖于需要高效催化剂的吸热化学反应。”

由于高超声速飞行器部件的尺寸和质量限制,催化剂需要尽可能小。因此,该团队使用SLM 3D打印来制造热交换器,并在其表面涂上沸石,将其变成最终可用的催化剂。

作为NASA Hyper-X项目的一部分,X-43A高超音速研究飞行器在2004年达到9.6马赫以上的速度。通过NASA图像。
作为NASA Hyper-X项目的一部分,X-43A高超音速研究飞行器在2004年达到9.6马赫以上的速度。通过NASA图像。

小型化学反应器

那么催化剂如何实际工作?当3D印刷结构暴露在热量中时,一些基础金属材料进入沸石涂层中。这是在流过印刷结构的燃料中的吸热(吸热)反应,在该过程中冷却周围环境。当在具有模拟温度和压力的实验室测试其印刷催化剂的功能时,研究人员发现它们具有“前所未有的效率”。

“我们的3D印刷催化剂类似于微型化学反应器,是什么让它们如此令人难以置信的是,金属和合成矿物混合,”Hubesch解释说。“这是一种令人兴奋的催化方向,但我们需要更多的研究来充分了解这一过程,并确定最佳影响的金属合金的最佳组合。”

就未来的工作而言,RMIT团队打算利用X射线同步加速器技术和其他先进的分析方法优化3D打印催化剂。人们希望这项技术的潜在应用能够扩展到车辆的空气污染控制和室内空间的空气质量装置。

RMIT先进材料和工业化学中心主任Suresh Bhargava表示,“这一第三代催化可以与3D打印联系起来,以创造以前不可能的新型复杂设计。我们的新型3D印刷催化剂代表了一种自由派新方法,具有彻底彻底改变世界催化未来的实际潜力。“

该研究的进一步细节可以在标题为“3D打印开放式金属骨架结构上的沸石:金属迁移到沸石中促进飞行器吸热燃料催化裂化'。它由Selvakannan Periasamy等,Roxanne Hubesch,Roxanne Hubesch,Roxanne Hubesch,Selvakannan Ceriasamy等。

主动冷却:一个3D打印应用

3D打印技术的一个小众应用是主动冷却装置。就在上个月,一组美国研究人员使用3D打印技术创造了一种新颖的、高度可配置的技术具有可改变的热和电磁特性的超材料. 超材料的可重构性使其具有多功能性,在微处理器、飞机和建筑物的主动冷却方面具有潜在应用。

其他地方,3D打印机制造商三维系统以前曾与欧洲核研究组织合作,c, 3D打印大型强子对撞机的冷却部件(LHC)。具体而言,合作伙伴使用DMP Flex 350 PBF系统来打印一组定制钛冷却棒用于颗粒检测实验 - 否则无法制造的组件。

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特色图片显示了一系列3D打印催化剂的实验设计。照片来自皇家墨尔本理工大学。