法國航天局探索用陶瓷3D打印改進空間推進系統(tǒng)

2022年5月26日，南極熊獲悉，法國航天局（CNES）正在開展一項3D打印的氧化物陶瓷材料如何能夠改善空間推進的關鍵子系統(tǒng)的設計的研究。

這項研究的重點是開發(fā)一種優(yōu)化的釔鋁石榴石（YAG）異質(zhì)材料，在3D打印成復雜的形狀時提供理想的強度和抗蠕變特性。據(jù)法國國家空間研究中心稱，這些增材制造的YAG陶瓷可以構成未來用于深空探測的渦輪葉片的金屬合金的基礎。

△3D打印的YAG陶瓷結構。圖片來自《Scientific Reports》。

應用于太空的陶瓷3D打印

由于材料的理想機械性能和增材制造技術帶來的幾何設計的可能性，3D打印陶瓷正在越來越多地被探索用于一系列與太空有關的應用。

幾年來，3D打印陶瓷已被用于創(chuàng)建下一代火箭發(fā)動機的增強型部件，以及其他的新型的、航空航天應用。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，為國際空間站（ISS）上的空間實驗設施制備新一代的陶瓷樣品容器。

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

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

在其他地方，3D打印服務局3DCeram與CNES分拆出來的Anywaves合作，為小型衛(wèi)星設計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。

△美國宇航局工程師Kate Rubins在國際空間站上安裝的CMM旁邊。圖片來自美國國家航空航天局。

改進空間推進系統(tǒng)的設計

CNES關于氧化物陶瓷的最新研究和開發(fā)工作有望改善空間推進的關鍵子系統(tǒng)的設計，以提高液體推進火箭發(fā)動機的性能。

目前，金屬合金允許工作的最高溫度限制了液體推進火箭渦輪發(fā)動機的循環(huán)性能。據(jù)該機構稱，在渦輪機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中的性能。

選擇YAG陶瓷是因為它在高溫下具有理想的機械性能，特別是它的高強度，在1000攝氏度以上的溫度下具有良好的蠕變行為，低熱導率，物理和化學穩(wěn)定性，以及它對水蒸氣腐蝕的高抗性。

目前，由于其成本低、使用方便，擠壓技術是最廣泛使用的陶瓷直接成型技術之一。雖然增材制造在過去被用來打印YAG陶瓷，但該團隊發(fā)現(xiàn)了擴大工藝規(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，他們開始改進和擴展制備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。圖片來自《Scientific Reports》。

降低成本和節(jié)約能源

利用這一技術，CNES團隊通過改進為 "laboratory scale"合成設計的方案，成功地擴大了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打印機進行3D打印。

然后在不同的溫度下對打印出來的纖維結構進行煅燒，以監(jiān)測異構凝膠向YAG陶瓷結晶的轉化。通過這個過程，該團隊證明了在1550-1700℃的熱處理后燒結并獲得粘性陶瓷片的可能性。

該團隊還觀察到，他們的聯(lián)合制備和3D打印過程能夠降低成本和能源，因此將作為一個節(jié)能過程受到工業(yè)部門的贊賞。特別是，法國國家空間研究中心的團隊認為，為太空探索制造陶瓷渦輪機部件是他們的3D打印YAG凝膠的一個極有前途的應用。

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

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