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下一代3D打印催化剂将推动高超音速飞行:速度超3800英里/小时

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超高效的3D打印催化剂可以帮助解决高超音速飞机的过热问题,并为无数行业的热管理提供革命性的解决方案。这种高度通用的催化剂由澳大利亚墨尔本皇家理工大学(RMIT)的研究人员开发,其制造成本低廉,规模也很简单。

该团队的实验室演示表明,3D打印的催化剂有可能被用来为高超音速飞行提供动力,同时对系统进行冷却。

该研究发表在英国皇家化学会杂志《化学通讯》上。

首席研究员Selvakannan Periasamy博士说,他们的工作解决了高超音速飞机发展中的最大挑战之一:控制飞机以超过五倍音速飞行时积累的惊人热量。

“我们的实验室测试表明,我们开发的3D打印催化剂在为未来的高超音速飞行提供燃料方面有着巨大的前景,”Periasamy说。

“强大而高效,它们为航空业的热管理提供了一个令人兴奋的潜在解决方案--甚至更多。随着进一步的发展,我们希望这种新一代的超高效3D打印催化剂可以被用来改变任何过热是一个永远存在的挑战的工业过程。”

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对速度的需求

只有少数实验性飞机达到了高超音速(定义为5马赫以上--超过3800英里/小时或每秒1英里)。

从理论上讲,高超音速飞机可以在90分钟内从伦敦到纽约,但在高超音速航空旅行的发展中仍然存在许多挑战,例如极端的热量。

第一作者和博士研究员Roxanne Hubesch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。

“能够在为飞机提供动力的同时吸收热量的燃料是科学家们关注的一个重点,但是这种想法依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应,”Hubesch说。“此外,燃料与催化剂接触的热交换器必须尽可能小,因为高超音速飞机在体积和重量上受到严格限制。”

为了制造新的催化剂,研究小组3D打印了由金属合金制成的微小热交换器,并在其上涂上被称为沸石的合成矿物质。

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研究人员在实验室规模上复制了燃料在高超音速下经历的极端温度和压力,以测试其设计的功能。

当3D打印结构加热时,一些金属进入沸石框架--这一过程对新催化剂的空前效率至关重要。

Hubesch说:“我们的3D打印催化剂就像微型化学反应器,使它们如此令人难以置信地有效的是金属和合成矿物的混合。”

“这是一个令人兴奋的催化新方向,但我们需要更多的研究来充分了解这个过程,并确定金属合金的最佳组合以获得最大的影响。”

来自皇家墨尔本理工大学先进材料和工业化学中心(CAMIC)的研究团队的下一步工作包括通过用X射线同步辐射技术和其他深入的分析方法研究3D打印的催化剂来优化它们。

研究人员还希望将这项工作的潜在应用扩展到车辆的空气污染控制和改善室内空气质量的微型设备--这对管理COVID-19等空气传播的呼吸道病毒尤为重要。

CAMIC主任Suresh Bhargava教授说,价值数万亿美元的化学工业主要是基于旧的催化技术。“这种第三代催化技术可以与3D打印技术联系起来,创造出以前不可能的新的复杂设计,” Bhargava说。“我们新的3D打印催化剂代表了一种激进的新方法,真正有可能彻底改变全世界催化技术的未来。”

3D打印的催化剂是在数字制造设施中使用激光粉床融合(L-PBF)技术生产的,该设施是RMIT先进制造区的一部分。

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