普渡大学创新3D打印技术：深色陶瓷助力高超音速飞行器发展

2025年2月，南极熊获悉，普渡大学应用研究所（PARI）的研究团队正在探索一种全新的方法，通过3D打印技术将深色陶瓷转化为高超音速飞行器所需的复杂部件。这种材料因其卓越的耐高温和抗极端环境能力而被视为理想选择，他们的目标是实现大规模3D打印这些部件，从而大幅提高效率和性能。


△研究人员将坩埚装入箱式炉中，加热并去除 3D 打印陶瓷样品中的粘合剂

Rodney Trice教授是工程学院材料工程系的一员，也是PARI高超音速先进制造技术中心（HAMTC）陶瓷加工领域的领军人物。他和他的团队正在致力于改进这些材料，以便更好地应用于增材制造（AM）。Trice指出：“深色陶瓷特别适合用于高超音速飞行器，因为它们在面对极端大气条件时更加坚固耐用。”

为了达成这一目标，他们使用了HAMTC内最先进的数字光处理（DLP）3D打印机。特里斯解释说：“利用这项技术，我们可以创建出表面极其光滑、精度达到微米级的设计，这使得我们能够成功地打印出各种复杂的几何形状，如尖锥和半球形，这些都是构建高超音速飞行器不可或缺的部分。”

深色陶瓷
深色陶瓷是一种具有特殊物理和化学性质的先进陶瓷材料，其颜色通常来源于所使用的原材料或添加剂。这些陶瓷材料之所以呈现深色调，主要是因为它们含有能够吸收光线而非反射光线的成分，例如某些金属氧化物或其他化合物。

深色陶瓷的特点
●耐高温性：深色陶瓷往往能够在极高温度下保持稳定，不会发生软化或分解。这使得它们非常适合用于极端环境下的应用，比如高超音速飞行器的外壳或发动机部件。

●机械强度高：这类陶瓷拥有出色的硬度和抗压能力，可以承受较大的力而不易损坏，因此在需要高强度材料的应用中非常有用。

●良好的耐磨性和耐腐蚀性：由于其化学惰性，深色陶瓷对大多数酸碱溶液都有很好的抵抗作用，并且不易被磨损，适用于制造长期暴露于恶劣环境中的组件。

●热稳定性好：除了能承受高温外，深色陶瓷还表现出优异的热稳定性，即在温度变化时尺寸变化小，这对于精密仪器尤为重要。

●电磁特性：一些深色陶瓷还具备特殊的电学或磁学性能，可用于制造电子设备中的特定组件。

克服挑战：深色陶瓷与3D打印
然而，3D打印深色陶瓷并非易事。一个主要的挑战在于深色陶瓷会影响紫外线的吸收和散射过程，浅色陶瓷，比如氧化铝，可以很好地反射光线，使每一层都能迅速固化。相比之下，深色陶瓷则会吸收大量光线，导致固化效果不佳。Trice说道：“由于深色粉末吸收了固化过程中必需的紫外线，难以形成足够的层厚，这就意味着我们的固化深度过薄，大大延长了每个部件的生产时间。”

为了解决这个问题，材料工程博士生Matthew Thompson以及HAMTC的陶瓷研究工程师Dylan Crump与特里斯紧密合作，共同研究树脂系统、表面处理以及其他可能增加固化深度的方法。Thompson说：“我们不断调整属性并进行表面改性，以提升材料性能，并优化整个打印流程。”


△高超音速先进制造技术中心（HAMTC）：普渡大学为行业合作伙伴提供材料和制造创新研究的单一地点。HAMTC提供普渡大学的测试能力，可减少原型开发的时间和成本，通过学术参与提供创新。

确保质量：从实验室到生产线
此外，团队还在努力解决后处理阶段可能出现的问题，特别是当打印部件尺寸增大时，分层或开裂的风险也随之增加。他们希望确保从小型打印机过渡到大型打印机的过程中，不会因这些问题损害部件的质量。Thompson补充道：“我们正尝试找到解决方案，要么建立高效的生产线来制造这些部件，要么探索实际可行的方法供利益相关者使用，这样一来，就能为人们提供一个良好的起点，节省新系统的研发时间。”

这项工作得到了国防部制造科学技术计划办公室的支持，作为五个资助项目之一，与海军水面作战中心、起重机部门及国家安全技术加速器的战略和频谱任务高级弹性可信系统有着密切的合作。通过这样的合作，不仅推动了科技的进步，也为国家安全领域带来了潜在的重大贡献。