超高效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。由澳洲皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）研究人員開發(fā)的這種高度通用的催化劑制造成本低且易于擴(kuò)展。
該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室演示表明，3D打印催化劑或可能用于高超音速飛行器，幫助超音速飛行中冷卻。首席研究員Selvakannan Periasamy博士說，他們的工作解決了高超音速飛機(jī)開發(fā)過程中最大的挑戰(zhàn)之一，控制飛機(jī)以超過音速五倍的速度飛行時(shí)產(chǎn)生的難以置信的熱量。
■作為NASA Hyper-X計(jì)劃的一部分開發(fā)的X-43A高超音速研究飛行器，在2004年創(chuàng)造了航空歷史，記錄的速度超過 9.6馬赫或超過10000公里/小時(shí)
Periasamy表示，“我們的實(shí)驗(yàn)室測試表明，我們開發(fā)的3D打印催化劑推動高超音速飛行的未來發(fā)展，功能強(qiáng)大且高效，它們?yōu)楹娇占捌渌I(lǐng)域的熱管理提供了令人興奮的潛在解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，他希望這種新一代超高效3D打印催化劑可用于解決任何工業(yè)領(lǐng)域面臨的過熱挑戰(zhàn)。
對速度的追求
只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)達(dá)到了高超高音速5馬赫以上，每小時(shí)超過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4小時(shí)內(nèi)從倫敦飛到悉尼，但高超音速航空旅行的發(fā)展仍然存在許多挑戰(zhàn)，例如飛行中產(chǎn)生的極端高溫。
博士研究員Roxanne Hubesch 表示，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。“在為飛機(jī)提供動力的同時(shí)能夠吸收熱量的燃料是科學(xué)家們關(guān)注的重點(diǎn)，但這個(gè)想法依賴于需要高效催化劑的耗熱化學(xué)反應(yīng)。”Hubesch說。此外，由于高超音速飛機(jī)的體積和重量限制非常嚴(yán)格，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須盡可能小。
為了制造新的催化劑，該團(tuán)隊(duì)3D打印了由金屬合金制成的微型熱交換器，并在其表面涂上稱為沸石的合成礦物。研究人員在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上模擬在高超音速下所經(jīng)歷的極端溫度和壓力，以測試設(shè)計(jì)的可行性。
■3D打印催化劑的一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
微型化學(xué)反應(yīng)器
當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)升溫時(shí)，一些金屬進(jìn)入沸石框架，這一過程對于新催化劑前所未有的效率至關(guān)重要。“我們的3D打印催化劑就像微型化學(xué)反應(yīng)器，使它們?nèi)绱擞行У脑蚴墙饘俸秃铣傻V物的混合物，”Hubesch說，“對于催化而言，這是一個(gè)令人興奮的發(fā)展方向，但我們需要更多的研究以充分了解這個(gè)過程，同時(shí)確定金屬合金的最佳組合。”
RMIT先進(jìn)材料和工業(yè)化學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)下一步將通過使用X射線，同步加速器技術(shù)和其他深入分析方法研究3D打印催化劑并使之優(yōu)化。先進(jìn)材料和工業(yè)化學(xué)中心主任、教授Suresh Bhargava談到，價(jià)值數(shù)萬億美元的化學(xué)工業(yè)主要基于舊的催化技術(shù)。第三代催化技術(shù)可以與3D打印相結(jié)合，創(chuàng)造出以前無法實(shí)現(xiàn)的新的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
新型3D打印催化劑代表了一種全新的方法，具有徹底改變未來全球催化劑行業(yè)的潛力。3D 打印催化劑是研究人員使用激光粉末床融合生產(chǎn)的。Bhargava和Milan Brandt教授是數(shù)字制造設(shè)施的負(fù)責(zé)人，他們將3D打印催化劑和化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的想法概念化。RMIT增材制造中心的Maciej Mazur博士表示，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)有力例子。
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