3D列印是怎麼成為超音速軍備競賽的關鍵因素的？

最新 04-13

二戰後期當時的兩大超級大國美國和蘇聯展開了一場圍繞核武器的軍備競賽，冷戰的爆發席捲全球。如今，戰爭的硝煙已經散去，進入了和平時期。最近幾年3D列印在如火如荼的高速發展，比如碳氧化硅之類的陶瓷材料可承受難以置信的溫度。如果通過3D列印技術成型為複雜的幾何形狀，那其用途就更加特殊了。陶瓷材料的3D列印，可能成為開發未來超音速導彈和飛機的關鍵。

超音速導彈飛機

來自加利福尼亞州Malibu的HRL實驗室，是由波音公司和通用汽車公司所合作擁有的專業從事研究感測器和材料、信息和系統科學、應用電磁學和微電子的研究和發展實驗室。早在2016年，HRL就公布了其開發出一種新技術，使用這種技術3D列印的超強陶瓷材料能夠承受超過1400攝氏度高溫，該技術處於全球性的前沿技術地位。

HRL實驗室的研究在NASA空間技術研究資金的支持下獲得了不斷的進展，NASA的資金推動了HRL在耐溫陶瓷製成的3D列印火箭發動機部件領域的發展。

高溫飛行

通過這些聚合物製造的陶瓷均勻收縮，幾乎沒有孔隙度。並且可以形成迷你網格和蜂窩狀材料，不但形狀複雜，並且還表現高的強度，這種密度泡沫陶瓷可以在推進零部件、熱防護系統、多孔燃燒器、微機電系統和電子設備獲得應用。如使用在高超聲速飛行器和噴氣發動機中，這種陶瓷可以幫助設計者製造能抵禦起飛過程中所排出的廢氣引起的加熱和高溫度的小零件。

高溫陶瓷是熔融溫度在氧化硅1728℃的熔點之上的陶瓷材料的總稱，其耐高溫，高強度，高硬度，良好的電性能、熱性能和化學穩定性使得高溫陶瓷在宇航、原子能、電子技術、機械、化工、冶金等方面有著廣泛的應用。

由於高溫陶瓷的熔點極高，這使得通過3D列印製造陶瓷產品挑戰性更高。然而，又因為陶瓷不能通過鑄造或容易被機加工，這使得3D列印在陶瓷的加工方面具有飛躍性的幾何靈活性。獲得3D列印陶瓷-尤其是高溫陶瓷突破的應用意味著其伴隨著的應用空間亦被打開。

實驗室目前可3D列印兩類陶瓷。一類是大、非常輕量級的點陣晶格結構，可以用于飛機和航天器的耐熱板及其他外部部件。一類是小但複雜零件用於噴氣發動機和火箭的機電系統或組件。

根據空軍研究實驗室最近發布的一份聲明，航空航天系統局科學家正在尋找新的熱電偶輻射防護罩，HRL生產的材料對滿足這方面要求嚴格的空軍應用的潛力變得明顯。

空軍研究實驗室與HRL的合作是對雙方有利的，HRL作為空軍研究實驗室的供應商為他們開發滿足要求的材料，空軍研究實驗室能夠向HRL提供測試結果並提供對雙方都有價值的反饋。空軍研究實驗室進行的極端溫度測試揭示了HRL新材料的局限性，從而HRL實驗室可以更加有針對性的改進材料。

空軍研究實驗室對陶瓷材料進行測試

來自實驗室測試的數據產生了有價值的信息，用於開發和生產下一代增材製造技術生產的陶瓷。如果空軍和HRL實驗室的合作能夠帶來回報，那麼他們就有可能通過開發超音速飛行器。應用在10倍的音速飛馳的超音速飛行器上，由於空氣的摩擦，任何交通工具表面都會變得非常熾熱，如果想要製造高超聲速飛行器就需要用高溫陶瓷製造整個外殼。目前，沒有任何材料可以承受超音速飛行過程中產生的極端熱量和壓力，而3D列印陶瓷可能就是解決這個問題的方法。