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美国_3D打印的陶瓷做热交换器,功率可达3 MW

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在最近发表在《增材制造》杂志上的一篇文章中,研究人员过粘合剂喷射增材制造制造的陶瓷热交换器,在将太阳能与热能存储在熔融氯化物中。


使用热能存储 (TES) 和传统热力发动机按需调度能源,将集中太阳能 (CSP) 与其他可再生能源区分开来。然而,为了达到具有竞争力的平准化能源成本 (LCOE),必须降低 CSP 系统成本。


最近对几个三重周期性最小表面 (TPMS) 和周期性节点表面作为热交换器的研究表明,Schwarz-D TPMS 表面具有出色的传热性能。IV-VI 族过渡金属碳化物、硼化物和复合材料是最常见的超高温陶瓷 (UHTC) 材料。在引入增材制造之前,TPMS 设备很难制造。



与以前制造陶瓷 TPMS 结构的方法相比,粘合剂喷射增材制造正在发展成为一种有前途且可扩展的陶瓷成型方法。粘合剂喷射印刷已用于制造 UHTC 换热器板并结合反应性渗透,但尚未用于制造烧结至高相对密度的 UHTC TPMS 结构。从烧结纳米材料中吸取的经验表明,成型过程中的低生坯密度并不总是一个问题,实现良好的均匀性更为重要。


在这项研究中,作者通过烧结和打印空候选物证明了粘合剂喷射增材制造 UHTC-TPMS 结构的可行性。创建了具有至少 92% 理论相对密度的组件,它们也是 TPMS 的一部分。



目标密度表示从烧结的中间阶段到最后阶段的过渡,这是使用烧结 HIP 技术将复杂的近净形式烧结到全密度和抑制气体渗透所必需的。演示 TPMS 部件的目的是查看从测试试样获得的打印和烧结参数是否适用于将用于热交换器设计的复杂几何形状。


该团队打印了 9 cm 3立方 TPMS 件并烧结它们,而不会扭曲或破碎它们。提出了设计拓扑、材料和制造进步,以在 CSP 热交换器中的熔融氯化物盐中实现一流的性能。


研究人员讨论了结合使用粘结剂喷射增材制造与烧结来构建基于 ZrB2-MoSi2 的 UHTC-TPMS 电池。由于 ZrB2-MoSi2 具有良好的加工特性和质量,因此有意选择它作为无效候选材料来证明 UHTC-TPMS 热交换器的可行性,直到可以确定该应用的最佳 UHTC 材料。


研究表明,粘合剂喷射增材制造可用于打印和烧结 UHTC-TPMS 结构。为了有效地限制失真,人们发现需要一种空间限制策略。它能够使用 d50 约为 2-3 m 的传统粉末原料,这与传统 UHTC 加工中使用的尺寸相同。这些材料被烧结到 92-98% 的理论相对密度,这足以防止热交换器流体通过壁,分离两个区域并在需要更高密度时允许热等静压。


鉴于这些有希望的结果,作者提议结合 CSP 热交换器的设计、材料和生产方面的发展。他们提到,市场上用于打印陶瓷的最大粘合剂喷射打印机有可能打印基于此功率密度的额定容量高达 3 MW 的一体式热交换器。


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