普渡大學(xué)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(xué)應(yīng)用研究所（PARI）的研究團(tuán)隊(duì)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(fù)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(biāo)是實(shí)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(xué)院材料工程系的一員,，也是PARI高超音速先進(jìn)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(tuán)隊(duì)正在致力于改進(jìn)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?yàn)樗鼈冊诿鎸�極端大氣條件時(shí)更加堅(jiān)固耐用。”

為了達(dá)成這一目標(biāo),，他們使用了HAMTC內(nèi)最先進(jìn)的數(shù)字光處理（DLP）3D打印機(jī),。特里斯解釋說：“利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以創(chuàng)建出表面極其光滑,、精度達(dá)到微米級的設(shè)計(jì),，這使得我們能夠成功地打印出各種復(fù)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(xué)性質(zhì)的先進(jìn)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?yàn)樗鼈兒�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(diǎn)
●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(jī)部件。

●機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(xué)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(shí)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(xué)或磁學(xué)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(gè)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(dǎo)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(gè)部件的生產(chǎn)時(shí)間,。”

為了解決這個(gè)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(jìn)行表面改性,，以提升材料性能，并優(yōu)化整個(gè)打印流程,。”


△高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心（HAMTC）：普渡大學(xué)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(diǎn),。HAMTC提供普渡大學(xué)的測試能力,，可減少原型開發(fā)的時(shí)間和成本，通過學(xué)術(shù)參與提供創(chuàng)新,。

確保質(zhì)量：從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線
此外,，團(tuán)隊(duì)還在努力解決后處理階段可能出現(xiàn)的問題，特別是當(dāng)打印部件尺寸增大時(shí),，分層或開裂的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加,。他們希望確保從小型打印機(jī)過渡到大型打印機(jī)的過程中，不會因這些問題損害部件的質(zhì)量,。Thompson補(bǔ)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(shí)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(gè)良好的起點(diǎn)，節(jié)省新系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間,�,！�

這項(xiàng)工作得到了國防部制造科學(xué)技術(shù)計(jì)劃辦公室的支持，作為五個(gè)資助項(xiàng)目之一,，與海軍水面作戰(zhàn)中心,、起重機(jī)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(jìn)步,，也為國家安全領(lǐng)域帶來了潛在的重大貢獻(xiàn),。