法国航天局(CNES)正在开展一项3D打印的氧化物陶瓷材料如何能够改善空间推进的关键子系统的设计的研究。 这项研究的重点是开发一种优化的钇铝石榴石(YAG)异质材料,在3D打印成复杂的

法国航天局探索用陶瓷3D打印改进空间推进系统

法国航天局(CNES)正在开展一项3D打印的氧化物陶瓷材料如何能够改善空间推进的关键子系统的设计的研究。

这项研究的重点是开发一种优化的钇铝石榴石(YAG)异质材料,在3D打印成复杂的形状时提供理想的强度和抗蠕变特性。据法国国家空间研究中心称,这些增材制造的YAG陶瓷可以构成未来用于深空探测的涡轮叶片的金属合金的基础。

△3D打印的YAG陶瓷结构。图片来自《ScientificReports》。

应用于太空的陶瓷3D打印

由于材料的理想机械性能和增材制造技术带来的几何设计的可能性,3D打印陶瓷正在越来越多地被探索用于一系列与太空有关的应用。

几年来,3D打印陶瓷已被用于创建下一代火箭发动机的增强型部件,以及其他的新型的、航空航天应用。处于陶瓷创新前沿的一家公司是CerAMTec,它曾与欧洲航天局(ESA)和空客公司合作,为国际空间站(ISS)上的空间实验设施制备新一代的陶瓷样品容器。

国际空间站也是"太空制造"的陶瓷制造设施--涡轮机陶瓷制造模块(CMM)的所在地,该模块包含一台SLA3D打印机,以展示在微重力环境下制造单件陶瓷涡轮机部件的可行性。

最近,数字复合制造(DCM)3D打印平台开发商Fortify与陶瓷3D打印专家Tethon3D合作,开发用于增材制造的新技术陶瓷,包括火箭喷嘴等极端温度部件。

在其他地方,3D打印服务局3Dceram与CNES分拆出来的Anywaves合作,为小型卫星设计3D打印陶瓷天线,而奥地利工程公司Incus目前正在与欧空局和陶瓷3D打印专家Lithoz合作, 新亚电子股份有限公司探索如何将月球表面可用的废旧金属加工成3D打印月球站的备件。

△美国宇航局工程师KateRubins在国际空间站上安装的CMM旁边。图片来自美国国家航空航天局。

改进空间推进系统的设计

CNES关于氧化物陶瓷的最新研究和开发工作有望改善空间推进的关键子系统的设计,以提高液体推进火箭发动机的性能。

目前,金属合金允许工作的最高温度限制了液体推进火箭涡轮发动机的循环性能。据该机构称,在涡轮机部件中引入抗蠕变的氧化物陶瓷可以帮助提高循环温度,从而改善深空探索任务中的性能。

选择YAG陶瓷是因为它在高温下具有理想的机械性能,特别是它的高强度,在1000摄氏度以上的温度下具有良好的蠕变行为,低热导率,物理和化学稳定性,以及它对水蒸气腐蚀的高抗性。

目前,由于其成本低、使用方便,挤压技术是最广泛使用的陶瓷直接成型技术之一。虽然增材制造在过去被用来打印YAG陶瓷,但该团队发现了扩大工艺规模和生产更大量的潜在挑战,例如杂质的形成。

因此,他们开始改进和扩展制备YAG凝胶的工艺和凝胶中液体在室温下蒸发后留下的生坯,并调查所制备的浆料的可打印性。

△YAG凝胶的制备方案。图片来自《ScientificReports》。

降低成本和节约能源

利用这一技术,CNES团队通过改进为"laboratoryscale"合成设计的方案,成功地扩大了YAG凝胶的生产规模。研究人员使用干燥的YAG凝胶配制成糊状,可以使用建筑3D打印公司WASP的DeltaWASP2040粘土3D打印机进行3D打印。

然后在不同的温度下对打印出来的纤维结构进行煅烧,以监测异构凝胶向YAG陶瓷结晶的转化。通过这个过程,该团队证明了在1550-1700℃的热处理后烧结并获得粘性陶瓷片的可能性。

该团队还观察到,他们的联合制备和3D打印过程能够降低成本和能源,因此将作为一个节能过程受到工业部门的赞赏。特别是,法国国家空间研究中心的团队认为,为太空探索制造陶瓷涡轮机部件是他们的3D打印YAG凝胶的一个极有前途的应用。

关于这项研究的更多信息可以在《ScientificReports》杂志上发表的题为:"YAG异胶的合成和机器人铸造:陶瓷的一步转换/SynthesisandrobocastingofYAGxerogel:one-stepconversionofceramics"的论文中找到。这项研究的共同作者是N.Flores-Martinez,L.Quamara,F.Remondiere,J.Jouin,G.Fiore,S.Oriol,andS.Rossignol。

相关论文链接:https://www.nature.com/articles/s41598-022-12204-6

AAB

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