蜂窩陶瓷的設(shè)計(jì)演進(jìn)與3D打印應(yīng)用案例-上

開(kāi)孔蜂窩結(jié)構(gòu)以不同的形式存在于自然界中。如今，聚合物、金屬和陶瓷多孔材料已在工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)揮作用。這些結(jié)構(gòu)在高溫下具有出色的性能，在惡劣環(huán)境下（酸性，堿性或氧化性）表現(xiàn)出穩(wěn)定性以及出色的熱機(jī)械性能（抗熱震性）。由于其多孔性質(zhì)，它們具有更高表面積和滲透性的流體相，因此適合應(yīng)用在催化、太陽(yáng)能收集、儲(chǔ)熱、熱交換，輻射燃燒器等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)制造方式包括: 不均勻孔隙成型，直接發(fā)泡和復(fù)制聚合物泡沫。而增材制造-3D打印技術(shù)成為陶瓷泡沫材料的新型制造工藝。通過(guò)將CAD、仿真和增材制造結(jié)合起來(lái)，可以滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的最終用戶需求。

在本文的上篇中，魔猴網(wǎng)分享了陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下篇將分享3D打印陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)在燃燒器、熱交換器、太陽(yáng)能接收器等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用案例。

與“熱”相關(guān)的多種工業(yè)應(yīng)用

l 多孔燃燒器

無(wú)規(guī)泡沫通常用于多孔燃燒器的熱區(qū)。由于聚合物的制造方法，標(biāo)準(zhǔn)泡沫的問(wèn)題是它們的再現(xiàn)性和均勻性。這將在處理、組裝和操作燃燒器時(shí)引起問(wèn)題。使用上篇中結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計(jì)方法，可以解決這一問(wèn)題。圖10 顯示了操作中的多孔燃燒器。這種組件的標(biāo)準(zhǔn)條件是：工作溫度1350°C，燃燒環(huán)境空氣，H2O和揮發(fā)性有機(jī)化合物。歐盟ECCO項(xiàng)目旨在通過(guò)提高工作溫度至1450°C并優(yōu)化架構(gòu)拓?fù)湟愿纳戚椛鋪?lái)提高此類(lèi)組件的輻射功率。

圖10 運(yùn)行中的多孔燃燒器

制造方式可采用3D打印聚合物覆蓋陶瓷漿料的的混合制造方式。首先通過(guò)SLA 或SLS 3D打印技術(shù)制造出3D打印聚合物結(jié)構(gòu)，然后將該3D打印對(duì)象浸入陶瓷漿料中，使陶瓷材料覆蓋層達(dá)到一定的厚度。然后根據(jù)陶瓷漿液的成分對(duì)物體進(jìn)行熱處理。通過(guò)這種方式能夠生產(chǎn)復(fù)雜的高性能組件，顯著提高了陶瓷多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和熱沖擊強(qiáng)度。

圖11 帶Voronoi晶胞的錐形多孔燃燒器（a）CAD模型；（b）預(yù)制結(jié)構(gòu)。

l  車(chē)用催化轉(zhuǎn)化器載體

具有工程化結(jié)構(gòu)的車(chē)用催化轉(zhuǎn)化器被用來(lái)替代泡沫或標(biāo)準(zhǔn)蜂窩解決方案，因?yàn)楹髢烧邿o(wú)法根據(jù)客戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖12 汽車(chē)催化載體的宏觀特征光學(xué)顯微鏡圖像

圖12是根據(jù)本文上篇中所述的結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的催化轉(zhuǎn)化器載體，為根據(jù)最終需求優(yōu)化的設(shè)計(jì)。圖中零件由氧化鋁材料制造，并涂有 g-Al2 O3-Pt 懸浮液，該零件是一種高表面積的多孔陶瓷，需要3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)細(xì)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)制造時(shí)采用了基于光固化工藝的SLA 技術(shù)，打印完成后通過(guò)熱處理進(jìn)行燒結(jié)。

l  熱交換器

陶瓷材料廣泛用于處于高溫環(huán)境的應(yīng)用中，例如熱交換器。工程化的陶瓷蜂窩體系結(jié)構(gòu)，可以提高傳熱效率并提高這些系統(tǒng)的性能，還可以將這類(lèi)結(jié)構(gòu)插入管狀熱交換器中，從而利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的對(duì)流和輻射現(xiàn)象。

圖13 用于增強(qiáng)管狀熱交換器中熱傳遞的陶瓷晶格。

（a）CAD模型；（b）3D打印的幾何形狀；（c）運(yùn)行中的組件。

圖13 是通過(guò)結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計(jì)方法得到的陶瓷晶格結(jié)構(gòu)，具有4 mm旋轉(zhuǎn)立方體晶胞。這些3D打印陶瓷晶格結(jié)構(gòu)采用SLA 技術(shù)制造。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究表明，晶格的形態(tài)極大地影響了熱交換器的性能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了找到最佳傳熱解決方案，研究人員采用了不同的形態(tài)。

如果在管內(nèi)集成晶格結(jié)構(gòu)，熱交換器的熱傳遞性能得到提升，根據(jù)內(nèi)部晶格體系結(jié)構(gòu)的不同，性能提升160%-280%不等。其中，外部為大晶胞內(nèi)部為小晶胞的設(shè)計(jì)，能夠使較高比例的熱輻射到達(dá)中央支撐，從而提高了熱傳遞效率。

l  太陽(yáng)能接收器

圖14 SiCf / SiC復(fù)合材料太陽(yáng)能接收器（a）3D打印周期性泡沫晶格；（b）絲材纏繞

（c）用EPD（電泳沉積）和Si浸滲處理的最終樣品。

仿真結(jié)果表明，使用增強(qiáng)傳熱的3D打印結(jié)構(gòu)，顯著提高了太陽(yáng)能接收器性能，即使在高溫和高壓環(huán)境中，如果集成了3D打印泡沫晶格結(jié)構(gòu)，總體熱轉(zhuǎn)移也可以增加大約4倍。

l  航天器的熱保護(hù)系統(tǒng)

該零件采用了本文上篇所述的非結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計(jì)方法，獲得具有特殊復(fù)雜形狀的晶格結(jié)構(gòu)。制造方法與太陽(yáng)能接收器、多孔燃燒器相同，外部陶瓷材料為SiC漿料。

圖15 未來(lái)航天器的熱保護(hù)系統(tǒng)-具有六角形晶胞的U型多孔陶瓷結(jié)構(gòu)。

在等離子風(fēng)洞中廣泛的測(cè)試中，選擇測(cè)試條件適用于多次進(jìn)入地球、可重復(fù)使用的熱保護(hù)系統(tǒng)。隨著冷卻劑流量的增加，整個(gè)表面的溫度都會(huì)降低。即使在2.5 g/s的最低流速下，溫度也低于被動(dòng)冷卻參考配置的結(jié)果。測(cè)試結(jié)果證明了主動(dòng)冷卻對(duì)前沿對(duì)外部加熱的熱響應(yīng)的基本影響。