法國航天局（CNES）正在開展一項3D打印的氧化物陶瓷材料如何能夠改善空間推進的關鍵子系統的設計的研究。

這項研究的重點是開發一種優化的釔鋁石榴石（YAG）異質材料，在3D打印成復雜的形狀時提供理想的強度和抗蠕變特性。據法國國家空間研究中心稱，這些增材制造的YAG陶瓷可以構成未來用于深空探測的渦輪葉片的金屬合金的基礎。

△3D打印的YAG陶瓷結構。圖片來自《Scientific Reports》。

應用于太空的陶瓷3D打印

由于材料的理想機械性能和增材制造技術帶來的幾何設計的可能性，3D打印陶瓷正在越來越多地被探索用于一系列與太空有關的應用。

幾年來，3D打印陶瓷已被用于創建下一代火箭發動機的增強型部件，以及其他的新型的、航空航天應用。處于陶瓷創新前沿的一家公司是CerAMTec，它曾與歐洲航天局（ESA）和空客公司合作，為國際空間站（ISS）上的空間實驗設施制備新一代的陶瓷樣品容器。

國際空間站也是"太空制造"的陶瓷制造設施--渦輪機陶瓷制造模塊（CMM）的所在地，該模塊包含一臺SLA 3D打印機，以展示在微重力環境下制造單件陶瓷渦輪機部件的可行性。

最近，數字復合制造（DCM）3D打印平臺開發商Fortify與陶瓷3D打印專家Tethon 3D合作，開發用于增材制造的新技術陶瓷，包括火箭噴嘴等極端溫度部件。

在其他地方，3D打印服務局3Dceram與CNES分拆出來的Anywaves合作，為小型衛星設計3D打印陶瓷天線，而奧地利工程公司Incus目前正在與歐空局和陶瓷3D打印專家Lithoz合作，探索如何將月球表面可用的廢舊金屬加工成3D打印月球站的備件。

△美國宇航局工程師Kate Rubins在國際空間站上安裝的CMM旁邊。圖片來自美國國家航空航天局。

改進空間推進系統的設計

CNES關于氧化物陶瓷的最新研究和開發工作有望改善空間推進的關鍵子系統的設計，以提高液體推進火箭發動機的性能。

目前，金屬合金允許工作的最高溫度限制了液體推進火箭渦輪發動機的循環性能。據該機構稱，在渦輪機部件中引入抗蠕變的氧化物陶瓷可以幫助提高循環溫度，從而改善深空探索任務中的性能。

選擇YAG陶瓷是因為它在高溫下具有理想的機械性能，特別是它的高強度，在1000攝氏度以上的溫度下具有良好的蠕變行為，低熱導率，物理和化學穩定性，以及它對水蒸氣腐蝕的高抗性。

目前，由于其成本低、使用方便，擠壓技術是最廣泛使用的陶瓷直接成型技術之一。雖然增材制造在過去被用來打印YAG陶瓷，但該團隊發現了擴大工藝規模和生產更大量的潛在挑戰，例如雜質的形成。

因此，他們開始改進和擴展制備YAG凝膠的工藝和凝膠中液體在室溫下蒸發后留下的生坯，并調查所制備的漿料的可打印性。

△YAG凝膠的制備方案。圖片來自《Scientific Reports》。

降低成本和節約能源

利用這一技術，CNES團隊通過改進為 "laboratory scale"合成設計的方案，成功地擴大了YAG凝膠的生產規模。研究人員使用干燥的YAG凝膠配制成糊狀，可以使用建筑3D打印公司WASP的Delta WASP 2040粘土3D打印機進行3D打印。

然后在不同的溫度下對打印出來的纖維結構進行煅燒，以監測異構凝膠向YAG陶瓷結晶的轉化。通過這個過程，該團隊證明了在1550-1700℃的熱處理后燒結并獲得粘性陶瓷片的可能性。

該團隊還觀察到，他們的聯合制備和3D打印過程能夠降低成本和能源，因此將作為一個節能過程受到工業部門的贊賞。特別是，法國國家空間研究中心的團隊認為，為太空探索制造陶瓷渦輪機部件是他們的3D打印YAG凝膠的一個極有前途的應用。

關于這項研究的更多信息可以在《Scientific Reports》雜志上發表的題為："YAG異膠的合成和機器人鑄造：陶瓷的一步轉換/Synthesis and robocasting of YAG xerogel: one-step conversion of ceramics"的論文中找到。這項研究的共同作者是N. Flores-Martinez, L. Quamara, F. Remondiere, J. Jouin, G. Fiore, S. Oriol, and S. Rossignol。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-12204-6