法國航天局 (CNES) 進行的一項新研究正在調查 3D 打印的氧化物陶瓷材料如何改進用于空間推進的關鍵子系統(tǒng)的設計。該研究的重點是開發(fā)優(yōu)化的釔鋁石榴石 (YAG) 干凝膠，當 3D 打印成復雜形狀時，該干凝膠可提供理想的強度和抗蠕變性。根據 CNES 的說法，這些增材制造的 YAG 陶瓷可以構成未來用于深空探索渦輪葉片的金屬合金的基礎。

3D 打印的 YAG 陶瓷結構。圖片來自科學報告。

用于空間的陶瓷 3D 打印

由于材料具有理想的機械性能和增材制造技術帶來的幾何設計可能性，3D 打印陶瓷正在越來越多地被用于一系列與空間相關的應用中。幾年來，3D 打印陶瓷已被用于在下一代火箭發(fā)動機中創(chuàng)建增強組件，以及其他新穎的航空航天應用。陶瓷創(chuàng)新最前沿的公司之一是 CeramTec，該公司此前曾與歐洲航天局 (ESA) 和空中客車公司合作，為國際空間站 (ISS) 上的空間實驗設施生產新一代陶瓷樣品容器。國際空間站也是 Made In Space 的陶瓷制造設施渦輪陶瓷制造模塊 (CMM) 的所在地，其中包含一臺 SLA 3D 打印機，用于展示在微重力環(huán)境中制造單件陶瓷渦輪部件的可行性。

最近，數字復合制造 (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 打印服務局 3DCeram 與 CNES 的衍生公司 Anywaves 合作，為小型衛(wèi)星設計 3D 打印陶瓷天線，而奧地利工程公司 Incus 目前正在與 ESA 和陶瓷 3D 打印專家 Lithoz 合作，探索如何在月球表面可以加工成月球站的 3D 打印備件。

美國宇航局工程師凱特魯賓斯在安裝在國際空間站上的三坐標測量機旁邊。照片來自美國國家航空航天局。

改進空間推進系統(tǒng)設計

CNES關于氧化物陶瓷的最新研發(fā)工作希望改進空間推進關鍵子系統(tǒng)的設計，以提高液體推進火箭發(fā)動機的性能。目前，由金屬合金的電阻施加的最大允許渦輪溫度限制了液體推進火箭發(fā)動機循環(huán)的性能。據該機構稱，為渦輪機部件引入抗蠕變氧化物陶瓷有助于提高循環(huán)溫度，從而提高深空探索任務的性能。之所以選擇 YAG，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性能、低導熱性、物理和化學穩(wěn)定性以及對水蒸氣腐蝕的高抗性。

目前，由于其成本低、使用方便，擠壓是陶瓷直接成型應用最廣泛的技術之一。雖然過去曾使用增材制造來打印 YAG 陶瓷，但該團隊發(fā)現(xiàn)了擴大工藝規(guī)模和生產更大數量的潛在挑戰(zhàn)，例如雜質的形成。因此，他們著手改進和擴大制備 YAG 干凝膠（凝膠中的液體在室溫下蒸發(fā)時留下的固體）的工藝，并研究所得干凝膠糊的可印刷性。

YAG 干凝膠的制備方案。圖片來自科學報告。

降低成本和節(jié)約能源

使用這種技術，CNES 團隊通過修改為“實驗室規(guī)?！焙铣啥O計的方案，成功地擴大了 YAG 干凝膠的生產。研究人員使用干燥的 YAG 干凝膠配制漿料，該漿料可以使用建筑 3D 打印公司 WASP 的 Delta WASP 2040 粘土 3D 打印機進行 3D 打印。 然后在不同溫度下煅燒印刷的繩索結構，以監(jiān)測干凝膠向結晶 YAG 陶瓷的轉變。通過這一過程，該團隊證明了在 1550-1700 攝氏度之間熱處理后燒結并獲得粘性陶瓷件的可能性。 該團隊還觀察到，他們的組合制備和 3D 打印工藝能夠降低成本和能源，因此“被工業(yè)部門認可”為一種節(jié)能工藝。 特別是，CNES 團隊將用于太空探索的陶瓷渦輪部件的制造視為其 3D 打印 YAG 干凝膠的有前途的應用。

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