超音速飞机能以几倍于音速的速度飞行,未来从美国到澳大利亚只需要短短几个小时。但要实现超音速需要克服重重难题,其中一项就是散热。目前,科学家希望防止它们过热的一种方法就是让推进剂同时作为冷却剂来使用,使飞机在天空中飞行时保持安全的工作温度。

  新开发的 3D 打印催化剂可能是一个新的突破口,实验室测试显示它们如何能够触发必要的化学反应以实现高效吸热。

  虽然高空的寒冷温度足以使商用飞机不会过热,但对于以超过 6100 公里/小时(3790 英里/小时)的超音速飞行的飞机来说,情况就不同了,飞机和外界空气之间的摩擦会产生大量的热量。自 20 世纪 60 年代以来,研究人员探讨了通过所谓的内热燃料来解决这一问题的想法,内热燃料将同时作为推进剂和飞机的主要冷却剂。

  在这种情况下,某种热交换器将从升温的部件中获取热量,并将其转移到冷却的碳氢化合物燃料中。当该燃料升温并达到一定温度时,它会引发化学反应,将碳氢化合物分解成更简单的单元,然后可用于推进。

  澳大利亚皇家墨尔本理工大学的第一作者 Roxanne Hubesch 说:“能够在为飞机提供动力的同时吸收热量的燃料是科学家们关注的一个重点,但是这个想法依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应。此外,燃料与催化剂接触的热交换器必须尽可能小,因为高超音速飞机在体积和重量上受到严格限制”。

  为了寻找这个问题的解决方案,Hubesch 和她的同事们使用 3D 打印技术来生产由金属合金制成的晶格结构,这些金属合金被涂上了称为沸石(zeolites)的合成矿物。该团队将这些结构描述为微型化学反应器,并将其置于实验室测试中,旨在模仿燃料在高超音速下所承受的极端温度和压力。这表明,随着结构的加热,一些金属,最可能是铬,迁移到沸石框架中,导致”前所未有的催化活性”。

  Hubesch 表示:“我们的3D打印催化剂就像微型的化学反应器,使它们如此令人难以置信地有效的原因是金属和合成矿物的混合。这是一个令人兴奋的催化新方向,但我们需要更多的研究来充分了解这个过程,并确定金属合金的最佳组合,以获得最大的影响”。

  该团队以实验形式生产了各种3D打印的催化剂,但在我们看到它们在下一代飞机上工作之前还有很多工作要做。科学家们现在将使用 X 射线同步辐射技术和其他方法来更详细地研究它们的功能并优化它们的性能。

  首席研究员 Selvakannan Periasamy 博士说:“我们的实验室测试表明,我们开发的 3D 打印催化剂对推动未来的超音速飞行有很大的希望,强大而高效,它们为航空业的热管理提供了一个令人兴奋的潜在解决方案–甚至更多。随着进一步的发展,我们希望这种新一代的超高效3D打印催化剂可以被用来改变任何过热的工业难题”。

  这项研究发表在《化学通讯》杂志上。

  资料来源:皇家墨尔本理工大学

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