Additive Manufacturing of Tailored Macroporous Ceramic Structures for High‐Temperature Applications
Additive Manufacturing of Tailored Macroporous Ceramic Structures for High‐Temperature Applications
复制标题
用于高温应用的定制大孔陶瓷结构的增材制造
DOI：
10.1002/adem.202000158
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发表时间：
2020
影响因子：
3.6
通讯作者：
Ihme, Matthias
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Sobhani, Sadaf;Allan, Shawn;Muhunthan, Priyanka;Boigne, Emeric;Ihme, Matthias
大孔陶瓷材料在许多能量转换和热管理系统中无处不在。大孔陶瓷结构的形貌和材料组成影响其有效热物理性质以及与工作流体相互作用的界面输运。因此，定制这些特性可以通过调节热传输、反应性和稳定性来实现显著的性能增强。然而，传统的陶瓷基质制造技术限制了定制多孔结构和优化这些系统性能的能力，例如通过引入各向异性形态、孔径渐变以及孔连通性和材料性能的变化。本文提出了一种集成框架，用于通过结合计算建模、数学定义的表面和基于光刻的增材制造来实现定制陶瓷多孔结构的设计、优化和制造。孔隙结构定制的好处是实验说明了在多孔介质燃烧器中的间隙燃烧与平滑梯度矩阵结构操作。此外，通过调整制造工艺，证明了单一材料可实现的热导率的显着范围，从而为调节多孔陶瓷结构的热传输特性提供了独特的机会。
Macroporous ceramic materials are ubiquitous in numerous energy‐conversion and thermal‐management systems. The morphology and material composition influence the effective thermophysical properties of macroporous ceramic structures and interphase transport in interactions with the working fluid. Therefore, tailoring these properties can enable significant performance enhancements by modulating thermal transport, reactivity, and stability. However, conventional ceramic‐matrix fabrication techniques limit the ability for tailoring the porous structure and optimizing the performance of these systems, such as by introducing anisotropic morphologies, pore‐size gradations, and variations in pore connectivity and material properties. Herein, an integrated framework is proposed for enabling the design, optimization, and fabrication of tailored ceramic porous structures by combining computational modeling, mathematically defined surfaces, and lithography‐based additive manufacturing. The benefits of pore‐structure tailoring are illustrated experimentally for interstitial combustion in a porous‐media burner operating with a smoothly graded matrix structure. In addition, a remarkable range of achievable thermal conductivities for a single material is demonstrated with tuning of the fabrication process, thus providing unique opportunities for modulating thermal transport properties of porous‐ceramic structures.
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N. Mathis
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U. Scheithauer;E. Schwarzer;G. Ganzer;A. Kornig;W. Becker;E. Reichelt;M. Jahn;A. Har‐tel;H. Richter;T. Moritz;A. Michaelis
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