中國粉體網(wǎng)訊  據(jù)《美國防務郵報》3月5日報道，美國正加快推進3D打印陶瓷技術的研發(fā)，開發(fā)能夠承受極端條件的陶瓷材料，滿足高超音速導彈和飛機耐熱性和整體性能的需求。

據(jù)報道，美國普渡大學應用研究所（PARI）的研究人員采用了數(shù)字光處理（DLP）3D打印機，可以生產(chǎn)出形狀和尺寸精確、表面分辨率高的“深色陶瓷”，通過這種3D打印技術，他們正在嘗試將陶瓷材料轉(zhuǎn)化為高超音速飛行器所需的部件。

高超音速武器飛得快，打得準，但怕熱

超聲速飛行器賦予了武器系統(tǒng)高機動性，遠距離精確打擊能力，強突防能力以及快速響應能力，是各主要軍事大國正努力搶占的戰(zhàn)略技術制高點。

隨著其向著高速、高推力、高空的方向發(fā)展，其對表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。

高超音速武器插畫/《美國防務郵報》報道圖

飛行器進入大氣層時面臨著熱流密度高、駐點壓力大和氣流沖刷速度快等極端環(huán)境，同時面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應而產(chǎn)生的化學燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時，其頭錐和機翼周圍的空氣會受到劇烈壓縮而與飛行器表面產(chǎn)生較大的摩擦，導致其表面受氣流流動加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動加熱外，還會在飛行過程中受到太陽輻射、環(huán)境輻射等的影響，使飛行器的表面溫度不斷升高，這一變化會嚴重影響飛行器的服役狀況。

美軍選擇了“陶瓷+3D打印”

目前有望在1 800℃以上溫度使用的材料一般有高溫合金材料、超高溫陶瓷、C_f / SiC 復合材料、C /C復合材料等�，F(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差; C_f / SiC復合材料基體活性氧化長時間使用不能超過1650℃ ; C /C 復合材料雖然具有輕質(zhì)的特點，但無保護層時超過500℃即開始急劇氧化。

相比其它材料，超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫熱防護材料，是目前高溫熱防護材料的研究前沿。

然而，陶瓷材料普遍存在脆性高、難以加工的問題。傳統(tǒng)制造方法很難生產(chǎn)出結(jié)構復雜且具備高強度的陶瓷部件，這成為高超音速武器研制的一大瓶頸。近年來，3D打印技術的進步讓陶瓷材料的制造方式迎來了突破性變革。

3D打印技術是增材制造技術的俗稱，是快速成形技術的一種，它是通過三維設計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加，以及激光燒結(jié)、光照等固化手段制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，復雜制造能力好，材料利用率高，適應性好等優(yōu)點，應用于武器裝備發(fā)展時能夠顯著縮短武器裝備研制時間，減少研制費用，提高武器裝備性能，降低武器裝備成本，提高維修保障時效性與精度。

近年來，美國積極開展3D打印技術在武器生產(chǎn)中的應用研究，比如美國軍方和軍工企業(yè)與3D Systems和Sciaky等3D打印技術公司合作，推進大尺寸鈦合金3D打印技術在戰(zhàn)斗機制造上的應用。2013年，美國開始使用3D打印技術批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動的燃料噴嘴。在3D打印技術應用于輕型物質(zhì)制造方面，2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬手槍，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。

Aerojet Rocketdyne公司RL10火箭發(fā)動機已成功完成配備3D打印銅合金推力室的測試/Aerojet Rocketdyne官網(wǎng)報道圖

2024年5月，美國國防部就曾與美國國防公司Aerojet Rocketdyne簽訂合同，要求其開發(fā)3D打印的高超音速推進系統(tǒng)原型機。

此次在PARI團隊的方案中，陶瓷用于增強熱防護系統(tǒng)性能，通過3D打印提升陶瓷部件的制造能力并降低制造成本，有望為該領域帶來突破性進展。

參考來源：

[1]鄧啟文等.3D 打印技術對武器裝備發(fā)展的影響

[2]劉丹丹等.超高溫陶瓷涂層的研究進展

[3]嚴春雷等.超高溫陶瓷材料研究進展

（中國粉體網(wǎng)/山川）

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