普渡大學創(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，普渡大學應(yīng)用研究所（PARI）的研究團隊正在探索一種全新的方法，通過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，他們的目標是實現(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教授是工程學院材料工程系的一員，也是PARI高超音速先進制造技術(shù)中心（HAMTC）陶瓷加工領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他和他的團隊正在致力于改進這些材料，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，因為它們在面對極端大氣條件時更加堅固耐用。”

為了達成這一目標，他們使用了HAMTC內(nèi)最先進的數(shù)字光處理（DLP）3D打印機。特里斯解釋說：“利用這項技術(shù)，我們可以創(chuàng)建出表面極其光滑、精度達到微米級的設(shè)計，這使得我們能夠成功地打印出各種復雜的幾何形狀，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性質(zhì)的先進陶瓷材料，其顏色通常來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)，主要是因為它們含有能夠吸收光線而非反射光線的成分，例如某些金屬氧化物或其他化合物。

深色陶瓷的特點
●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)動機部件。

●機械強度高：這類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：由于其化學惰性，深色陶瓷對大多數(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，即在溫度變化時尺寸變化小，這對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或磁學性能，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。一個主要的挑戰(zhàn)在于深色陶瓷會影響紫外線的吸收和散射過程，淺色陶瓷，比如氧化鋁，可以很好地反射光線，使每一層都能迅速固化。相比之下，深色陶瓷則會吸收大量光線，導致固化效果不佳。Trice說道：“由于深色粉末吸收了固化過程中必需的紫外線，難以形成足夠的層厚，這就意味著我們的固化深度過薄，大大延長了每個部件的生產(chǎn)時間?！?br />
為了解決這個問題，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：“我們不斷調(diào)整屬性并進行表面改性，以提升材料性能，并優(yōu)化整個打印流程?！?br />

△高超音速先進制造技術(shù)中心（HAMTC）：普渡大學為行業(yè)合作伙伴提供材料和制造創(chuàng)新研究的單一地點。HAMTC提供普渡大學的測試能力，可減少原型開發(fā)的時間和成本，通過學術(shù)參與提供創(chuàng)新。

確保質(zhì)量：從實驗室到生產(chǎn)線
此外，團隊還在努力解決后處理階段可能出現(xiàn)的問題，特別是當打印部件尺寸增大時，分層或開裂的風險也隨之增加。他們希望確保從小型打印機過渡到大型打印機的過程中，不會因這些問題損害部件的質(zhì)量。Thompson補充道：“我們正嘗試找到解決方案，要么建立高效的生產(chǎn)線來制造這些部件，要么探索實際可行的方法供利益相關(guān)者使用，這樣一來，就能為人們提供一個良好的起點，節(jié)省新系統(tǒng)的研發(fā)時間?！?br />
這項工作得到了國防部制造科學技術(shù)計劃辦公室的支持，作為五個資助項目之一，與海軍水面作戰(zhàn)中心、起重機部門及國家安全技術(shù)加速器的戰(zhàn)略和頻譜任務(wù)高級彈性可信系統(tǒng)有著密切的合作。通過這樣的合作，不僅推動了科技的進步，也為國家安全領(lǐng)域帶來了潛在的重大貢獻。