超高效的3D打印催化劑可以幫助解決高超音速飛機(jī)的過(guò)熱問(wèn)題，并為無(wú)數(shù)行業(yè)的熱管理提供革命性的解決方案。這種高度通用的催化劑由澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT）的研究人員開(kāi)發(fā)，其制造成本低廉，規(guī)模也很簡(jiǎn)單。
該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室演示表明，3D打印的催化劑有可能被用來(lái)為高超音速飛行提供動(dòng)力，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。
該研究發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)雜志《化學(xué)通訊》上。
首席研究員Selvakannan Periasamy博士說(shuō)，他們的工作解決了高超音速飛機(jī)發(fā)展中的最大挑戰(zhàn)之一：控制飛機(jī)以超過(guò)五倍音速飛行時(shí)積累的驚人熱量。
“我們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，我們開(kāi)發(fā)的3D打印催化劑在為未來(lái)的高超音速飛行提供燃料方面有著巨大的前景，”P(pán)eriasamy說(shuō)。
“強(qiáng)大而高效，它們?yōu)楹娇諛I(yè)的熱管理提供了一個(gè)令人興奮的潛在解決方案--甚至更多。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，我們希望這種新一代的超高效3D打印催化劑可以被用來(lái)改變?nèi)魏芜^(guò)熱是一個(gè)永遠(yuǎn)存在的挑戰(zhàn)的工業(yè)過(guò)程。”
對(duì)速度的需求
只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)性飛機(jī)達(dá)到了高超音速（定義為5馬赫以上--超過(guò)3800英里/小時(shí)或每秒1英里）。
從理論上講，高超音速飛機(jī)可以在90分鐘內(nèi)從倫敦到紐約，但在高超音速航空旅行的發(fā)展中仍然存在許多挑戰(zhàn)，例如極端的熱量。
第一作者和博士研究員Roxanne Hubesch說(shuō)，使用燃料作為冷卻劑是解決過(guò)熱問(wèn)題最有希望的實(shí)驗(yàn)方法之一。
“能夠在為飛機(jī)提供動(dòng)力的同時(shí)吸收熱量的燃料是科學(xué)家們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，但是這種想法依賴(lài)于需要高效催化劑的耗熱化學(xué)反應(yīng)，”Hubesch說(shuō)。“此外，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須盡可能小，因?yàn)楦叱羲亠w機(jī)在體積和重量上受到嚴(yán)格限制。”
為了制造新的催化劑，研究小組3D打印了由金屬合金制成的微小熱交換器，并在其上涂上被稱(chēng)為沸石的合成礦物質(zhì)。
研究人員在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上復(fù)制了燃料在高超音速下經(jīng)歷的極端溫度和壓力，以測(cè)試其設(shè)計(jì)的功能。
當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)加熱時(shí)，一些金屬進(jìn)入沸石框架--這一過(guò)程對(duì)新催化劑的空前效率至關(guān)重要。
Hubesch說(shuō)：“我們的3D打印催化劑就像微型化學(xué)反應(yīng)器，使它們?nèi)绱肆钊穗y以置信地有效的是金屬和合成礦物的混合?！?/p>
“這是一個(gè)令人興奮的催化新方向，但我們需要更多的研究來(lái)充分了解這個(gè)過(guò)程，并確定金屬合金的最佳組合以獲得最大的影響?！?/p>
來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)先進(jìn)材料和工業(yè)化學(xué)中心（CAMIC）的研究團(tuán)隊(duì)的下一步工作包括通過(guò)用X射線(xiàn)同步輻射技術(shù)和其他深入的分析方法研究3D打印的催化劑來(lái)優(yōu)化它們。
研究人員還希望將這項(xiàng)工作的潛在應(yīng)用擴(kuò)展到車(chē)輛的空氣污染控制和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的微型設(shè)備--這對(duì)管理COVID-19等空氣傳播的呼吸道病毒尤為重要。
CAMIC主任Suresh Bhargava教授說(shuō)，價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的化學(xué)工業(yè)主要是基于舊的催化技術(shù)?！斑@種第三代催化技術(shù)可以與3D打印技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，創(chuàng)造出以前不可能的新的復(fù)雜設(shè)計(jì)，” Bhargava說(shuō)。“我們新的3D打印催化劑代表了一種激進(jìn)的新方法，真正有可能徹底改變?nèi)澜绱呋夹g(shù)的未來(lái)?！?/p>
3D打印的催化劑是在數(shù)字制造設(shè)施中使用激光粉床融合（L-PBF）技術(shù)生產(chǎn)的，該設(shè)施是RMIT先進(jìn)制造區(qū)的一部分。
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