2025年2月，普渡大學應用研究所（PARI）的研究團隊正在探索一種全新的方法，通過3D打印技術將深色陶瓷轉化為高超音速飛行器所需的復雜部件。這種材料因其卓越的耐高溫和抗極端環境能力而被視為理想選擇，他們的目標是實現大規模3D打印這些部件，從而大幅提高效率和性能。


△研究人員將坩堝裝入箱式爐中，加熱并去除 3D 打印陶瓷樣品中的粘合劑
      Rodney Trice教授是工程學院材料工程系的一員，也是PARI高超音速先進制造技術中心（HAMTC）陶瓷加工領域的領軍人物。他和他的團隊正在致力于改進這些材料，以便更好地應用于增材制造（AM）。Trice指出：“深色陶瓷特別適合用于高超音速飛行器，因為它們在面對極端大氣條件時更加堅固耐用。”
     為了達成這一目標，他們使用了HAMTC內最先進的數字光處理（DLP）3D打印機。特里斯解釋說：“利用這項技術，我們可以創建出表面極其光滑、精度達到微米級的設計，這使得我們能夠成功地打印出各種復雜的幾何形狀，如尖錐和半球形，這些都是構建高超音速飛行器不可或缺的部分。”
深色陶瓷
      深色陶瓷是一種具有特殊物理和化學性質的先進陶瓷材料，其顏色通常來源于所使用的原材料或添加劑。這些陶瓷材料之所以呈現深色調，主要是因為它們含有能夠吸收光線而非反射光線的成分，例如某些金屬氧化物或其他化合物。
深色陶瓷的特點
●耐高溫性：深色陶瓷往往能夠在極高溫度下保持穩定，不會發生軟化或分解。這使得它們非常適合用于極端環境下的應用，比如高超音速飛行器的外殼或發動機部件。
●機械強度高：這類陶瓷擁有出色的硬度和抗壓能力，可以承受較大的力而不易損壞，因此在需要高強度材料的應用中非常有用。
●良好的耐磨性和耐腐蝕性：由于其化學惰性，深色陶瓷對大多數酸堿溶液都有很好的抵抗作用，并且不易被磨損，適用于制造長期暴露于惡劣環境中的組件。
●熱穩定性好：除了能承受高溫外，深色陶瓷還表現出優異的熱穩定性，即在溫度變化時尺寸變化小，這對于精密儀器尤為重要。
●電磁特性：一些深色陶瓷還具備特殊的電學或磁學性能，可用于制造電子設備中的特定組件。
克服挑戰：深色陶瓷與3D打印
       然而，3D打印深色陶瓷并非易事。一個主要的挑戰在于深色陶瓷會影響紫外線的吸收和散射過程，淺色陶瓷，比如氧化鋁，可以很好地反射光線，使每一層都能迅速固化。相比之下，深色陶瓷則會吸收大量光線，導致固化效果不佳。Trice說道：“由于深色粉末吸收了固化過程中必需的紫外線，難以形成足夠的層厚，這就意味著我們的固化深度過薄，大大延長了每個部件的生產時間。”
      為了解決這個問題，材料工程博士生Matthew Thompson以及HAMTC的陶瓷研究工程師Dylan Crump與特里斯緊密合作，共同研究樹脂系統、表面處理以及其他可能增加固化深度的方法。Thompson說：“我們不斷調整屬性并進行表面改性，以提升材料性能，并優化整個打印流程。”


△高超音速先進制造技術中心（HAMTC）：普渡大學為行業合作伙伴提供材料和制造創新研究的單一地點。HAMTC提供普渡大學的測試能力，可減少原型開發的時間和成本，通過學術參與提供創新。
確保質量：從實驗室到生產線
       此外，團隊還在努力解決后處理階段可能出現的問題，特別是當打印部件尺寸增大時，分層或開裂的風險也隨之增加。他們希望確保從小型打印機過渡到大型打印機的過程中，不會因這些問題損害部件的質量。Thompson補充道：“我們正嘗試找到解決方案，要么建立高效的生產線來制造這些部件，要么探索實際可行的方法供利益相關者使用，這樣一來，就能為人們提供一個良好的起點，節省新系統的研發時間。”
     這項工作得到了國防部制造科學技術計劃辦公室的支持，作為五個資助項目之一，與海軍水面作戰中心、起重機部門及國家安全技術加速器的戰略和頻譜任務高級彈性可信系統有著密切的合作。通過這樣的合作，不僅推動了科技的進步，也為國家安全領域帶來了潛在的重大貢獻。

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