蜂窩陶瓷的設(shè)計演進(jìn)與3D打印應(yīng)用案例-上

開孔蜂窩結(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、太陽能收集、儲熱、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。通過將CAD、仿真和增材制造結(jié)合起來，可以滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的最終用戶需求。

在論文“Cellular ceramic architectures produced by hybrid additive manufacturing: a review on the evolution of their design” 中，科研人員對面向增材制造的蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)的設(shè)計工具與設(shè)計方式進(jìn)行了評述，提出了一些創(chuàng)新工具，并展示了通過這些設(shè)計方式所實現(xiàn)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用案例。

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，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引起問題。使用上篇中結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計方法，可以解決這一問題。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項目旨在通過提高工作溫度至1450°C并優(yōu)化架構(gòu)拓?fù)湟愿纳戚椛鋪硖岣叽祟惤M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)陶瓷漿液的成分對物體進(jìn)行熱處理。通過這種方式能夠生產(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)。 

圖11為一種創(chuàng)新型錐形幾何形狀多孔燃燒器。圓錐形燃燒器在氫氣產(chǎn)生的低熱量值廢氣產(chǎn)生的低污染物排放下顯示出穩(wěn)定而完整的燃燒。Si-SiC扁平和圓錐形原型帶有10個PPI Voronoi開放晶胞，該結(jié)構(gòu)是使用上篇中的Voronoi設(shè)計方式設(shè)計的，聚合物Voronoi錐型多孔結(jié)構(gòu)是3D打印的，然后采用SiC漿料復(fù)制，然后浸入熔融的硅中。

l  車用催化轉(zhuǎn)化器載體

具有工程化結(jié)構(gòu)的車用催化轉(zhuǎn)化器被用來替代泡沫或標(biāo)準(zhǔn)蜂窩解決方案，因為后兩者無法根據(jù)客戶要求進(jìn)行設(shè)計。

圖12 汽車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)計方法設(shè)計的催化轉(zhuǎn)化器載體，為根據(jù)最終需求優(yōu)化的設(shè)計。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)隊制造時采用了基于光固化工藝的SLA 技術(shù)，打印完成后通過熱處理進(jìn)行燒結(jié)。

研究團(tuán)隊已在恒定的流速和增加的溫度條件下進(jìn)行了測試，以獲得起燃特性曲線，溫度從 50 °C 增至 600 °C，加熱梯度為10 °C min-1。或在恒定溫度下但隨著流速增加而增加，以了解流速對反應(yīng)速率的影響。

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 是通過結(jié)構(gòu)化晶格設(shè)計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)值和實驗研究表明，晶格的形態(tài)極大地影響了熱交換器的性能，在實驗過程中，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，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  太陽能接收器

SiCf / SiC復(fù)合材料 被用于太陽能接收器制造，該材料能夠增強(qiáng)太陽能系統(tǒng)的性能。但由于不利的光學(xué)性能，這種陶瓷材料不適合通過SLA 3D打印技術(shù)進(jìn)行直接的制造，粘結(jié)劑噴射和熔融沉積成形3D打印技術(shù)則達(dá)不到相同的分辨率。因此，太陽能接收器可采用與多孔燃燒器制造時采用的混合方式進(jìn)行制造。圖14（a）中的3D打印周期性晶格結(jié)構(gòu)即為該方法制造的。

圖14 SiCf / SiC復(fù)合材料太陽能接收器（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)洞中廣泛的測試中，選擇測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，整個表面的溫度都會降低。即使在2.5 g/s的最低流速下，溫度也低于被動冷卻參考配置的結(jié)果。測試結(jié)果證明了主動冷卻對前沿對外部加熱的熱響應(yīng)的基本影響。

來源：3D科學(xué)谷