催化剂涂层的 3D 打印合金可以抵御高超音速的热量
高超音速飞行的承诺是令人兴奋的，但实现它的悬而未决的科学和工程问题并非微不足道。
最大的问题之一是管理极端温度。根据一位研究人员的说法，以 5 马赫（超音速变为超音速的速度）行进的物体的空气摩擦将使前缘表面温度达到 1,000 摄氏度。
长期以来，人们一直在研究使用燃料作为冷却剂的方法来控制发动机中的热量积聚。
正如 RMIT 博士研究员 Roxanne Hubesch 告诉我们的那样，对燃料裂解时的“吸热”（吸热）反应的研究可以追溯到 1960 年代。
Hubesch 是本月发表的一篇关于一种新方法的论文的第一作者，该方法在 3D 打印热交换器上使用沸石催化剂涂层。这在铬镍铁合金晶格上使用沸石来帮助控制温度，因为碳氢化合物被分解成更小的分子，并取得了有希望的早期结果。
我们与 Hubesch讨论了发表在《化学通讯》上的意外发现，以及将催化剂与 3D 打印结构相结合的新兴领域。
@AuManufacturing：这项研究的背景是什么？
Roxanne Hubesch：我会很快介绍自己。我来自比利时，在那里我获得了化学学士和硕士学位。然后我搬到澳大利亚攻读应用化学博士学位。
我之前在比利时的不同应用中已经做过催化裂化的工作，但它基本上是相同类型的化学反应。这里的实验室已经在碳氢化合物化学方面做了一些研究，这就是我进入高超音速飞行应用催化裂化领域的方式。
当我加入 RMIT 时，有一个不同的项目需要建造一个反应堆。我觉得这对我来说是一个很好的机会，可以在我的博士项目中使用相同的反应堆，以复制与需要高压和高温的高超音速飞机相同的条件。您必须在 40 bar 和 500 摄氏度范围内工作的典型条件。为此您需要特殊设备。所以我觉得如果我们在这里有这些能力，那么就意味着我可以在那个领域工作。所以我开始建造反应堆。Suresh Bhargava，我的高级主管，同时也是 CAMIC（先进材料和工业化学中心）的主任，已经与米兰布兰特合作，他领导着 AMP，并拥有 3D 打印方面的专业知识。苏雷什和米兰大约在八年前提出了将增材制造和化学科学相结合的想法。他们在 2017 年发表了一篇关于增材制造和化学科学的评论，该评论被宣布为热门话题。一路上，我只是觉得为什么不在我的工作框架内应用 3D 打印支撑？这基本上就是我进入它的方式。是不同的方向和合作将我带到了那里。最初，在我的博士工作框架中，我只使用纯催化剂，然后我们决定将我之前研究过的一些催化剂涂在 3D 打印载体上，我们意识到我们实际上获得了惊人的催化转化。惊人的结果，惊人的冷却，我们根本没有怀疑。这就是我们将作品作为通讯发表的原因，这不是典型的科学研究文章。这是一篇较短的文章，当您有出色的结果并且需要快速发表时发表；当您的结果需要快速跟踪时，您通常会使用 Communications。
图片：洛克希德马丁公司
@AuManufacturing：摘要中的措辞表明结果很可能是由于铬转移到催化剂中，但您并不确定。
罗克珊·胡贝施： 是的。我们排除了一些金属和一些我们知道不可能发生的事情。但我们怀疑用于 3D 打印支架的 Inconel 合金中含有铬。我们对表面进行了一些表征，我们怀疑是来自 3D 打印载体的小铬颗粒会迁移到催化剂颗粒中。这两者结合将协同工作以大量生产氢气。而且由于氢气的生产确实是吸热的，这意味着它会冷却很多，我们可以成功地将其应用于潜在的冷却应用。作为下一步，我们现在正在准备将样品送往日本进行一些同步加速器技术分析，这将使我们能够了解哪种金属在表面的哪个位置以及这种催化剂-3D 打印金属载体的原因是什么协同作用。
@AuManufacturing：所以其中一些是一个快乐的意外？
Roxanne Hubesch：在某种程度上，它有点像。最初我们想看看，首先，如果我们能成功地在 3D 打印的支撑上涂上一些催化剂，如果这会改变一些东西，我们希望这将是高超音速飞行的一个很好的应用。如果你想为高超音速飞机开发高效的热交换器，你真的需要它们是紧凑的。换热器的体积真的很重要，但它的效率也很重要，因为你需要将大量的一次燃料转化为一种很好的可燃二次燃料，而且还要有很好的冷却效果。所以这就是我们决定“让我们试一试”的原因。我们不知道什么会起作用。
@AuManufacturing：我们对澳大利亚的高超音速技术非常感兴趣，过去几年有一些国防支持的工作，布里斯班周围的一些专业知识和设施，以及一家备受瞩目的初创公司。发表作品后有没有看到很多询盘？
Roxanne Hubesch：这篇文章仅 [本月] 发表。就研究和科学界而言，我想说很多人对公布的结果感到非常惊讶。在航空航天工程的应用方面，我觉得少一些。这篇文章是从化学的角度来看的。航空航天是一个 100% 的工程领域，这里我们介绍了在飞机热交换器的核心发生的一些化学反应。它可以在工程中处理，但在研究它为什么起作用方面，需要了解很多化学背景。我认为在其中一些领域，多学科方法有时有点难以解决。在这方面我还没有接触过。
我们所做的是使用小的 3D 打印支架在我们的实验室规模的反应堆中进行测试，并在高超音速飞机的热交换器中重新创建燃料通过的相同条件，但尚未扩大规模。我们的 3D 打印支架只有几厘米大小。
下一步也是尝试不同的燃料，因为我们使用了实验室中使用的替代燃料，但这种替代燃料可能不会在现实中使用。所以这只是第一步。
在冷却领域也有不同的研究方法，不仅仅是燃料的催化裂解，这也许也是人们仍然有些困惑的原因。
图片：皇家墨尔本理工大学
@AuManufacturing：我看到使用燃料作为冷却剂的高超音速和超音速飞行研究，就像黑鸟一样，可以追溯到很长一段时间。
Roxanne Hubesch：第一篇使用燃料作为冷却剂的文章确实可以追溯到 60 年代。但主要问题是该方法的可持续性。您需要您的冷却系统具有可持续性，它不能只工作十分钟。到目前为止，这就是问题所在——我们开发的冷却方法在技术上是有效的，但它们只能工作一小会儿。这就是为什么我们还需要在结合 3D 打印和催化剂的系统中进行更多工作。也许燃料中的积碳会以一种无法长时间运行的方式发生。有很多技术问题，你必须以一种非常聪明的方式将它们结合起来。我认为这就是为什么在 50 或 60 年后仍然没有真正应用高超音速飞机的原因. 有很多问题需要解决，必须共同解决才能克服它们并使可持续的高超音速飞机成为现实。
@AuManufacturing：而且有很多东西只能在一定程度上建模和理解，然后就是猜测。或者我听说过。
Roxanne Hubesch：是的。来比利时之前，我在比利时做了两年的化学工程研究。通过与工程师合作，我意识到他们的想法是他们喜欢将模型、趋势和函数应用于大量数字或一组实验数据。但有时数字背后的东西要复杂得多，而且发生的事情比我们预期的要多得多。有时在某些领域的研究也相对有限，可能会发生一些我们不知道或我们无法正确建模的现象，这意味着我们无法正确预测。有太多不同的细节和方法，开发起来仍然非常棘手。我们希望我们的方法至少能在正确的方向上有所帮助。
虽然我有两年的化学工程背景，但我不是工程师。我的专业知识和兴趣是真正了解催化剂和 3D 打印支撑之间发生的事情。例如，我们可以将其升级到更大的载体，制造更大的反应器来测试它，但最终我真正感兴趣的是了解这种催化剂-3D 打印载体协同作用背后的机制及其惊人的催化转化。我想说的是，如果我们想在高超音速飞行应用方面对其进行扩展和进一步测试，那么我们真的必须与一些航空航天工程实验室合作，以测试和了解他们建模所需的不同参数和条件。我想这是我能说的最好的了。
我们也认为这项工作可以有其他应用。例如，我们正在考虑空气净化或任何需要冷却的行业。它不仅仅是高超音速飞机。我知道大学发布的这篇文章主要是关于高超音速飞机的，但它可以扩展到其他方面。
@AuManufacturing：将 3D 打印与催化剂相结合是否是一个发展迅速且潜力巨大的领域？
Roxanne Hubesch：这绝对是一个热门话题。最近，在化学科学领域最大的期刊之一上发表了一篇关于将增材制造应用于催化的评论。这是一个相对较新的领域，我想说也许在过去的五到十年里，你已经看到了第一篇文章的出现。但目前文献中的几篇文章只是使用 3D 打印支撑。他们没有被修改。我们是第一个实际沉积催化剂并像这样尝试的人。
我认为用于催化剂的 3D 打印载体可能是一个非常好的应用。在高超音速飞机的框架中，它们将非常重要，因为热交换器需要非常小，而使用传统制造方法来制造它们将是一个问题。所以在这方面，3D打印是一种需要。但我觉得对于需要非常小规模和真正定义几何的许多不同应用程序，这也很有用。3D 打印在催化方面也很有趣，因为 3D 打印可以产生非常粗糙的表面，这对于催化来说非常重要，因为这意味着您增加了表面积，并且纹理特性也与传统载体不同。
我们真的可以将其应用于许多不同的领域。在冷却方面，我们也在考虑空气净化装置，或使用聚合物印刷材料的光催化。现在我们知道它有效，我们不妨将其用于许多其他应用程序。
