普渡大學(xué)創(chuàng)新3D打印技術(shù)：深色陶瓷助力高超音速飛行器發(fā)展

2025年2月，南極熊獲悉，普渡大學(xué)應(yīng)用研究所（PARI）的研究團(tuán)隊(duì)正在探索一種全新的方法，通過(guò)3D打印技術(shù)將深色陶瓷轉(zhuǎn)化為高超音速飛行器所需的復(fù)雜部件。這種材料因其卓越的耐高溫和抗極端環(huán)境能力而被視為理想選擇，他們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模3D打印這些部件，從而大幅提高效率和性能。


△研究人員將坩堝裝入箱式爐中，加熱并去除 3D 打印陶瓷樣品中的粘合劑

Rodney Trice教授是工程學(xué)院材料工程系的一員，也是PARI高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心（HAMTC）陶瓷加工領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他和他的團(tuán)隊(duì)正在致力于改進(jìn)這些材料，以便更好地應(yīng)用于增材制造（AM）。Trice指出：“深色陶瓷特別適合用于高超音速飛行器，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿鎸?duì)極端大氣條件時(shí)更加堅(jiān)固耐用。”

為了達(dá)成這一目標(biāo)，他們使用了HAMTC內(nèi)最先進(jìn)的數(shù)字光處理（DLP）3D打印機(jī)。特里斯解釋說(shuō)：“利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以創(chuàng)建出表面極其光滑、精度達(dá)到微米級(jí)的設(shè)計(jì)，這使得我們能夠成功地打印出各種復(fù)雜的幾何形狀，如尖錐和半球形，這些都是構(gòu)建高超音速飛行器不可或缺的部分�！�

深色陶瓷
深色陶瓷是一種具有特殊物理和化學(xué)性質(zhì)的先進(jìn)陶瓷材料，其顏色通常來(lái)源于所使用的原材料或添加劑。這些陶瓷材料之所以呈現(xiàn)深色調(diào)，主要是因?yàn)樗鼈兒�有能夠吸收光線(xiàn)而非反射光線(xiàn)的成分，例如某些金屬氧化物或其他化合物。

深色陶瓷的特點(diǎn)
●耐高溫性：深色陶瓷往往能夠在極高溫度下保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生軟化或分解。這使得它們非常適合用于極端環(huán)境下的應(yīng)用，比如高超音速飛行器的外殼或發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

●機(jī)械強(qiáng)度高：這類(lèi)陶瓷擁有出色的硬度和抗壓能力，可以承受較大的力而不易損壞，因此在需要高強(qiáng)度材料的應(yīng)用中非常有用。

●良好的耐磨性和耐腐蝕性：由于其化學(xué)惰性，深色陶瓷對(duì)大多數(shù)酸堿溶液都有很好的抵抗作用，并且不易被磨損，適用于制造長(zhǎng)期暴露于惡劣環(huán)境中的組件。

●熱穩(wěn)定性好：除了能承受高溫外，深色陶瓷還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，即在溫度變化時(shí)尺寸變化小，這對(duì)于精密儀器尤為重要。

●電磁特性：一些深色陶瓷還具備特殊的電學(xué)或磁學(xué)性能，可用于制造電子設(shè)備中的特定組件。

克服挑戰(zhàn)：深色陶瓷與3D打印
然而，3D打印深色陶瓷并非易事。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)在于深色陶瓷會(huì)影響紫外線(xiàn)的吸收和散射過(guò)程，淺色陶瓷，比如氧化鋁，可以很好地反射光線(xiàn)，使每一層都能迅速固化。相比之下，深色陶瓷則會(huì)吸收大量光線(xiàn)，導(dǎo)致固化效果不佳。Trice說(shuō)道：“由于深色粉末吸收了固化過(guò)程中必需的紫外線(xiàn)，難以形成足夠的層厚，這就意味著我們的固化深度過(guò)薄，大大延長(zhǎng)了每個(gè)部件的生產(chǎn)時(shí)間�！�

為了解決這個(gè)問(wèn)題，材料工程博士生Matthew Thompson以及HAMTC的陶瓷研究工程師Dylan Crump與特里斯緊密合作，共同研究樹(shù)脂系統(tǒng)、表面處理以及其他可能增加固化深度的方法。Thompson說(shuō)：“我們不斷調(diào)整屬性并進(jìn)行表面改性，以提升材料性能，并優(yōu)化整個(gè)打印流程�！�


△高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心（HAMTC）：普渡大學(xué)為行業(yè)合作伙伴提供材料和制造創(chuàng)新研究的單一地點(diǎn)。HAMTC提供普渡大學(xué)的測(cè)試能力，可減少原型開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本，通過(guò)學(xué)術(shù)參與提供創(chuàng)新。

確保質(zhì)量：從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線(xiàn)
此外，團(tuán)隊(duì)還在努力解決后處理階段可能出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是當(dāng)打印部件尺寸增大時(shí)，分層或開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。他們希望確保從小型打印機(jī)過(guò)渡到大型打印機(jī)的過(guò)程中，不會(huì)因這些問(wèn)題損害部件的質(zhì)量。Thompson補(bǔ)充道：“我們正嘗試找到解決方案，要么建立高效的生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)制造這些部件，要么探索實(shí)際可行的方法供利益相關(guān)者使用，這樣一來(lái)，就能為人們提供一個(gè)良好的起點(diǎn)，節(jié)省新系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間。”

這項(xiàng)工作得到了國(guó)防部制造科學(xué)技術(shù)計(jì)劃辦公室的支持，作為五個(gè)資助項(xiàng)目之一，與海軍水面作戰(zhàn)中心、起重機(jī)部門(mén)及國(guó)家安全技術(shù)加速器的戰(zhàn)略和頻譜任務(wù)高級(jí)彈性可信系統(tǒng)有著密切的合作。通過(guò)這樣的合作，不僅推動(dòng)了科技的進(jìn)步，也為國(guó)家安全領(lǐng)域帶來(lái)了潛在的重大貢獻(xiàn)。