中国粉体网讯 据《美国防务邮报》3月5日报道，美国正加快推进3D打印陶瓷技术的研发，开发能够承受极端条件的陶瓷材料，满足高超音速导弹和飞机耐热性和整体性能的需求。
据报道，美国普渡大学应用研究所（PARI）的研究人员采用了数字光处理（DLP）3D打印机，可以生产出形状和尺寸精确、表面分辨率高的“深色陶瓷”，通过这种3D打印技术，他们正在尝试将陶瓷材料转化为高超音速飞行器所需的部件。
高超音速武器飞得快，打得准，但怕热
超声速飞行器赋予了武器系统高机动性，远距离精确打击能力，强突防能力以及快速响应能力，是各主要军事大国正努力抢占的战略技术制高点。
随着其向着高速、高推力、高空的方向发展，其对表面材料在极端条件下的耐高温性和抗氧化性要求也越来越高。
高超音速武器插画/《美国防务邮报》报道图
飞行器进入大气层时面临着热流密度高、驻点压力大和气流冲刷速度快等极端环境，同时面临着与氧气、水蒸气和二氧化碳反应而产生的化学烧蚀。在飞行器飞出和飞入大气层时，其头锥和机翼周围的空气会受到剧烈压缩而与飞行器表面产生较大的摩擦，导致其表面受气流流动加热。飞行器表面除了在飞行过程中受气动加热外，还会在飞行过程中受到太阳辐射、环境辐射等的影响，使飞行器的表面温度不断升高，这一变化会严重影响飞行器的服役状况。
美军选择了“陶瓷+3D打印”
目前有望在1 800℃以上温度使用的材料一般有高温合金材料、超高温陶瓷、Cf / SiC 复合材料、C /C复合材料等。现有的高温合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差; Cf / SiC复合材料基体活性氧化长时间使用不能超过1650℃ ; C /C 复合材料虽然具有轻质的特点，但无保护层时超过500℃即开始急剧氧化。
相比其它材料，超高温陶瓷材料以其优异的综合性能有望成为新一代高温热防护材料，是目前高温热防护材料的研究前沿。
然而，陶瓷材料普遍存在脆性高、难以加工的问题。传统制造方法很难生产出结构复杂且具备高强度的陶瓷部件，这成为高超音速武器研制的一大瓶颈。近年来，3D打印技术的进步让陶瓷材料的制造方式迎来了突破性变革。
3D打印技术是增材制造技术的俗称，是快速成形技术的一种，它是通过三维设计数据采用材料逐层累加，以及激光烧结、光照等固化手段制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。与传统制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，复杂制造能力好，材料利用率高，适应性好等优点，应用于武器装备发展时能够显著缩短武器装备研制时间，减少研制费用，提高武器装备性能，降低武器装备成本，提高维修保障时效性与精度。
近年来，美国积极开展3D打印技术在武器生产中的应用研究，比如美国军方和军工企业与3D Systems和Sciaky等3D打印技术公司合作，推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。2013年，美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面，2013年，美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属手枪，能够连续发射50发子弹并保持完好。
Aerojet Rocketdyne公司RL10火箭发动机已成功完成配备3D打印铜合金推力室的测试/Aerojet Rocketdyne官网报道图
2024年5月，美国国防部就曾与美国国防公司Aerojet Rocketdyne签订合同，要求其开发3D打印的高超音速推进系统原型机。
此次在PARI团队的方案中，陶瓷用于增强热防护系统性能，通过3D打印提升陶瓷部件的制造能力并降低制造成本，有望为该领域带来突破性进展。
参考来源：
[1]邓启文等.3D 打印技术对武器装备发展的影响
[2]刘丹丹等.超高温陶瓷涂层的研究进展
[3]严春雷等.超高温陶瓷材料研究进展
（中国粉体网/山川）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
