飛機(jī)在超高速飛行時(shí)，由于空氣和飛機(jī)表面摩擦?xí)a(chǎn)生熱量。因此，為了實(shí)現(xiàn)高超音速飛行，熱量控制是必須解決的重要一關(guān)。此前，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印催化劑，這種高度通用的催化劑具有成本效益且易于擴(kuò)展。

　　這種新型催化劑可以幫助解決高超音速飛機(jī)飛行中產(chǎn)生的過(guò)熱挑戰(zhàn)，并為無(wú)數(shù)行業(yè)的熱管理提供革命性的解決方案。該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室演示表明，3D打印催化劑可作為高超音速飛行時(shí)的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)還可以冷卻系統(tǒng)。該研究發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)期刊《化學(xué)通訊》上。團(tuán)隊(duì)首席研究員Selvakannan Periasamy博士表示，他們的工作解決了高超音速飛機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的最大挑戰(zhàn)之一，即當(dāng)飛行以超過(guò)5倍音速飛行時(shí)控制令人難以置信的熱量。

　　“實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，我們開(kāi)發(fā)的3D打印催化劑對(duì)于未來(lái)推動(dòng)高超音速飛行具有很大的前景，”Periasamy談到，“功能強(qiáng)大且高效，它們?yōu)楹娇占捌渌I(lǐng)域的熱管理提供了令人興奮的潛在解決方案。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，我們希望這種新一代超高效3D打印催化劑可以用來(lái)解決任何工業(yè)中的過(guò)熱難題。”

　　需要速度

　　只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)達(dá)到了高超音速（定義為5馬赫以上，超過(guò)每小時(shí)6100公里或每秒1.7公里）。理論上，一架高超音速飛機(jī)可以在4個(gè)小時(shí)內(nèi)從倫敦飛往悉尼，但高超音速航空旅行的發(fā)展仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如極端高溫。

　　論文的第一作者和博士研究人員Roxanne Hubesch表示，使用燃料作為冷卻劑是解決過(guò)熱問(wèn)題最有希望的實(shí)驗(yàn)方法之一。他進(jìn)一步指出，為飛機(jī)提供動(dòng)力的同時(shí)還能吸收熱量的燃料是科學(xué)家們關(guān)注的重點(diǎn)，但這個(gè)想法依賴于需要高效催化劑的耗熱化學(xué)反應(yīng)。”Hubesch說(shuō)。

　　此外，由于高超音速飛機(jī)的體積和重量限制，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須盡可能小。為了制造新的催化劑，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印的方式制成了金屬合金微型熱交換器，并為其涂上了稱為“沸石”的合成礦物。

　　研究人員在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上復(fù)制了燃料在高超音速下所經(jīng)歷的極端溫度和壓力，以測(cè)試他們?cè)O(shè)計(jì)的功能。

　　微型化學(xué)反應(yīng)器

　　當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)升溫時(shí)，一些金屬會(huì)移動(dòng)到沸石框架中，這一過(guò)程對(duì)于新催化劑到達(dá)前所未有的效率至關(guān)重要。Hubesch解釋說(shuō)，我們的3D打印催化劑就像微型化學(xué)反應(yīng)器，使它們?nèi)绱擞行У氖墙饘俸秃铣傻V物的混合設(shè)計(jì)。

　　“這是一個(gè)令人興奮的催化新方向，但我們需要更多的研究來(lái)充分了解這一過(guò)程并確定金屬合金的最佳組合以產(chǎn)生最大影響。”皇家墨爾本理工大學(xué)先進(jìn)材料和工業(yè)化學(xué)中心（CAMIC）研究團(tuán)隊(duì)的下一步工作，包括通過(guò)使用X射線同步加速器技術(shù)和其他深入分析方法研究3D打印催化劑，并逐步優(yōu)化它們。

　　研究人員希望將這項(xiàng)工作的潛在應(yīng)用擴(kuò)展到車輛和微型設(shè)備的空氣污染控制，以改善室內(nèi)空氣質(zhì)，這對(duì)于管理空氣傳播的呼吸道病毒（如COVID-19）尤其重要。CAMIC主任Suresh Bhargava教授表示，“目前價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的化學(xué)工業(yè)主要基于舊的催化技術(shù)。這種第三代催化劑可以與3D打印相結(jié)合，創(chuàng)造出前所未有的新復(fù)雜設(shè)計(jì)。我們新的3D打印催化劑代表了一種激進(jìn)的新方法，具有徹底改變?nèi)虼呋磥?lái)的真正潛力。”

　　實(shí)際上，3D打印催化劑是研究人員在皇家墨爾本理工大學(xué)數(shù)字制造設(shè)施中，使用激光粉末床融合(L-PBF)技術(shù)生產(chǎn)的。Bhargava和數(shù)字制造設(shè)施主任Milan Brandt教授提出了3D打印催化劑和化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的概念。

　　來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)增材制造中心的研究合著者M(jìn)aciej Mazur博士表示，這項(xiàng)工作是通過(guò)跨學(xué)科合作實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的一個(gè)強(qiáng)有力例子。“將增材制造與化學(xué)科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了突破性的成果，”Mazur說(shuō)，“3D打印開(kāi)放式金屬框架結(jié)構(gòu)上的沸石，金屬遷移到沸石中促進(jìn)了飛行器吸熱燃料的催化裂化。”

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