中國粉體網(wǎng)訊 據(jù)《美國防務(wù)郵報(bào)》3月5日報(bào)道，美國正加快推進(jìn)3D打印陶瓷技術(shù)的研發(fā)，開發(fā)能夠承受極端條件的陶瓷材料，滿足高超音速導(dǎo)彈和飛機(jī)耐熱性和整體性能的需求。
據(jù)報(bào)道，美國普渡大學(xué)應(yīng)用研究所（PARI）的研究人員采用了數(shù)字光處理（DLP）3D打印機(jī)，可以生產(chǎn)出形狀和尺寸精確、表面分辨率高的“深色陶瓷”，通過這種3D打印技術(shù)，他們正在嘗試將陶瓷材料轉(zhuǎn)化為高超音速飛行器所需的部件。
高超音速武器飛得快，打得準(zhǔn)，但怕熱
超聲速飛行器賦予了武器系統(tǒng)高機(jī)動(dòng)性，遠(yuǎn)距離精確打擊能力，強(qiáng)突防能力以及快速響應(yīng)能力，是各主要軍事大國正努力搶占的戰(zhàn)略技術(shù)制高點(diǎn)。
隨著其向著高速、高推力、高空的方向發(fā)展，其對表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。
高超音速武器插畫/《美國防務(wù)郵報(bào)》報(bào)道圖
飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)面臨著熱流密度高、駐點(diǎn)壓力大和氣流沖刷速度快等極端環(huán)境，同時(shí)面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時(shí)，其頭錐和機(jī)翼周圍的空氣會(huì)受到劇烈壓縮而與飛行器表面產(chǎn)生較大的摩擦，導(dǎo)致其表面受氣流流動(dòng)加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動(dòng)加熱外，還會(huì)在飛行過程中受到太陽輻射、環(huán)境輻射等的影響，使飛行器的表面溫度不斷升高，這一變化會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的服役狀況。
美軍選擇了“陶瓷+3D打印”
目前有望在1 800℃以上溫度使用的材料一般有高溫合金材料、超高溫陶瓷、Cf / SiC 復(fù)合材料、C /C復(fù)合材料等。現(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差; Cf / SiC復(fù)合材料基體活性氧化長時(shí)間使用不能超過1650℃ ; C /C 復(fù)合材料雖然具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，但無保護(hù)層時(shí)超過500℃即開始急劇氧化。
相比其它材料，超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫?zé)岱雷o(hù)材料，是目前高溫?zé)岱雷o(hù)材料的研究前沿。
然而，陶瓷材料普遍存在脆性高、難以加工的問題。傳統(tǒng)制造方法很難生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具備高強(qiáng)度的陶瓷部件，這成為高超音速武器研制的一大瓶頸。近年來，3D打印技術(shù)的進(jìn)步讓陶瓷材料的制造方式迎來了突破性變革。
3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的俗稱，是快速成形技術(shù)的一種，它是通過三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加，以及激光燒結(jié)、光照等固化手段制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，復(fù)雜制造能力好，材料利用率高，適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于武器裝備發(fā)展時(shí)能夠顯著縮短武器裝備研制時(shí)間，減少研制費(fèi)用，提高武器裝備性能，降低武器裝備成本，提高維修保障時(shí)效性與精度。
近年來，美國積極開展3D打印技術(shù)在武器生產(chǎn)中的應(yīng)用研究，比如美國軍方和軍工企業(yè)與3D Systems和Sciaky等3D打印技術(shù)公司合作，推進(jìn)大尺寸鈦合金3D打印技術(shù)在戰(zhàn)斗機(jī)制造上的應(yīng)用。2013年，美國開始使用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)的燃料噴嘴。在3D打印技術(shù)應(yīng)用于輕型物質(zhì)制造方面，2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬手槍，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。
Aerojet Rocketdyne公司RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已成功完成配備3D打印銅合金推力室的測試/Aerojet Rocketdyne官網(wǎng)報(bào)道圖
2024年5月，美國國防部就曾與美國國防公司Aerojet Rocketdyne簽訂合同，要求其開發(fā)3D打印的高超音速推進(jìn)系統(tǒng)原型機(jī)。
此次在PARI團(tuán)隊(duì)的方案中，陶瓷用于增強(qiáng)熱防護(hù)系統(tǒng)性能，通過3D打印提升陶瓷部件的制造能力并降低制造成本，有望為該領(lǐng)域帶來突破性進(jìn)展。
參考來源：
[1]鄧啟文等.3D 打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響
[2]劉丹丹等.超高溫陶瓷涂層的研究進(jìn)展
[3]嚴(yán)春雷等.超高溫陶瓷材料研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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