新一代3D打印催化剂—助力高超音速飞行

来源：江苏激光联盟

RMIT团队研究的3D打印催化剂可用于为高超音速飞行提供动力，同时冷却系统，助力高超音速飞行。

X-43A系列高超音速研究飞行器作为美国宇航局Hyper-X计划的一部分，在2004年创造了航空新纪录，速度超过10000公里/小时。来源：NASA

超高效的3D打印催化剂可以帮助解决高超音速飞机过热的挑战，并为无数行业的热管理提供革命性的解决方案。由澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT University)研究人员开发的催化剂优势明显——制造成本低、用途广泛、易于推广。

该研究发表在化学学会期刊《Chemical Communications》上。首席研究员Selvakannan Periasamy博士称他们的研究解决了高超音速飞机发展中最大的一个挑战——控制飞机在超5倍音速飞行时产生的热量。

Periasamy解释说：“我们的实验室测试表明，我们开发的3D打印催化剂在推动高超音速飞行方面有着巨大的潜力。它们功能强大且高效，为航空及其他领域的热量管理提供了一个可行的解决方案，对此我们感觉备受振奋，毕竟过热是多行业无时不在的挑战。随着未来进一步发展，我们相信这种新一代超高效3D打印催化剂可用来改造工业领域。

更快飞行速度
在实验中，只有少数飞机达到了高超音速(即5马赫以上，超过每小时6100公里或每秒1.7公里)。理论上，一架高超音速飞机可以在四个小时内从伦敦飞往悉尼，但这尚未成为现实，高超音速航空旅行的发展仍然面临极端高温等多种挑战。

该研究的第一作者和博士研究员 Roxanne Hubesch解释说：“使用燃料作为冷却剂是解决过热问题最有希望的实验方法之一。为飞机提供动力时能同时吸收热量的燃料一直是科学家们关注的重点，但这一设想依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应。此外，由于高超音速飞机的体积和重量限制，燃料与催化剂接触的热交换器必须尽可能小。”

为了制造适合的催化剂，该团队3D打印了金属合金制成的微型热交换器，并在它们上面涂上了被称为沸石的合成矿物质。研究人员在实验室复刻了燃料在高超音速时的极端温度和压力，以精准测试其设计样品的功效。

3D打印催化剂的实验设计 来源：RMIT

(a)SLM激光熔融打印的铬镍铁合金晶格结构 (b)从SLM晶格结构的扫描电子显微镜-X射线衍射分析获得的元素比例 (c和d)扫描电子显微镜图像获得的晶格结构(x50和x1500)。

更微型化学反应器
当3D打印结构逐渐升温时，一些金属会进入沸石框架——这一过程正可体现新催化剂前所未有的功效。Hubesch说：“我们的3D打印催化剂就像微型化学反应器，金属和合成矿物的混合让其具有‘奇效’。这一研究令人十分振奋，但我们必须承认还需要更多的研究来充分理解这一过程，并确定金属合金的最佳组合，以推动成果最大化。”

RMIT高级材料和工业化学中心(CAMIC)的研究团队在未来会持续深入研究，包括通过用X射线同步加速器等其他深入分析方法研究3D打印催化剂来不断优化催化剂。研究人员还希望将这项工作的应用扩展到车辆和微型设备的空气污染控制中，以改善室内空气质量——这在抗击新冠肺炎之类的空气传播呼吸道病毒尤其重要，可谓恰逢其时！

CAMIC主任、特聘教授Suresh Bhargava表示，现阶段价值万亿美元的化学工业在很大程度上仍基于旧的催化技术。Bhargava说：“这种第三代催化技术可以与3D打印相结合，创造出前所未有的新型复杂设计。这种3D打印催化剂代表了一种全新的方法，它具有强大潜力，可以彻底改变全球催化的未来。”  3D打印催化剂是在数字制造设施中使用激光粉末床融合( Laser Powder Bed Fusion，L-PBF))技术生产的，该设施是RMIT先进制造的一部分。Bhargava和数字制造设施主任Milan Brandt教授将3D打印催化剂和化学反应器设计的想法概念化。

正如该项研究的合著者、来自RMIT增材制造中心的Maciej Mazur博士所言，这项工作是通过跨学科合作实现创新的一个强有力的例子，证明将增材制造与化学科学相结合可产生突破性的成果。不仅是对于航空、化学工业的重要建设，对于跨学科研究与应用也多有裨益！

来源：RMIT官网，PHYS ORG。Roxanne Hubesch et al, Zeolites on 3D-printed open metal framework structure: metal migration into zeolite promoted catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicles, Chemical Communications (2021). DOI: 10.1039/D1CC04246G