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        法國航天局探索用陶瓷3D打印改進空間推進系統(tǒng)


        來源:南極熊3d打印

        [導(dǎo)讀]  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(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計的研究。

        中國粉體網(wǎng)訊  2022年5月,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(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)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(fù)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(gòu)成未來用于深空探測的渦輪葉片的金屬合金的基礎(chǔ)。


        3D打印的YAG陶瓷結(jié)構(gòu),圖片來自《Scientific Reports》


        應(yīng)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(shù)帶來的幾何設(shè)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(guān)的應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)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(shù)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(wù)局3Dceram與CNES分拆出來的Anywaves合作,為小型衛(wèi)星設(shè)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(shè)計


        CNES關(guān)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(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)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(gòu)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(wù)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(dǎo)率,物理和化學(xué)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(shù)是最廣泛使用的陶瓷直接成型技術(shù)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。


        降低成本和節(jié)約能源


        利用這一技術(shù),CNES團隊通過改進為 "laboratory scale"合成設(shè)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(jié)構(gòu)進行煅燒,以監(jiān)測異構(gòu)凝膠向YAG陶瓷結(jié)晶的轉(zhuǎn)化。通過這個過程,該團隊證明了在1550-1700℃的熱處理后燒結(jié)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(yīng)用。


        關(guān)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(zhuǎn)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(guān)論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41598-022-12204-6


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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