هياكل TPMS من الزركونيا السوداء للأنظمة الشمسية الحرارية

عندما يتعلم السيراميك كيفية "التمثيل الضوئي": كيف يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد السوداء أن تضاعف كفاءة استخدام الطاقة الشمسية؟

خلفية البحث

في عالم المواد الهندسية، يعتبر السيراميك مقاومًا لدرجات الحرارة العالية، ومقاومًا للتآكل، وله صلابة عالية. إنها مواد مثالية لشفرات محركات الطيران والمفاصل الاصطناعية والركائز الإلكترونية. ومع ذلك، فإن السيراميك لديه أيضًا نقطة ضعف قاتلة: الهشاشة. عند تصنيع مكونات سيراميكية معقدة الشكل، فإن طرق التصنيع التقليدية ليست فقط غير فعالة ومكلفة، ولكنها يمكن أن تسبب أيضًا شقوقًا صغيرة بسهولة، مما يؤدي إلى إنتاجية منخفضة للغاية.

أسطورة الملخص

ويؤدي ذلك إلى " المثلث غير المحتمل " من السيراميات: الأشكال المعقدة، وانخفاض التكلفة، وارتفاع الأداء، التي كثيرا ما لا تكون متاحة مجتمعة. وقد أتاح ظهور تكنولوجيات الإثراء (3Dطباعة) ولا سيما تكنولوجيا السلك المذوب كسر هذا المأزق. إن تكنولوجيا FFF مثل تكديس هيكل نمطي مع طبقة من الغراء الدماغي، وهي منخفضة التكلفة وسريعة ويمكن نظريا أن تجعل أي شكل.

لكن ظهرت مشاكل: على الرغم من أن سيراميك أكسيد الألومنيوم الأبيض العادي (Al₂O₃) أو أكسيد الزركونيوم (ZrO₂) منخفض التكلفة، إلا أن لونه أبيض، مما يعني أنه سيعكس معظم ضوء الشمس. في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، ما نحتاج إليه هو مواد "سوداء" يمكنها امتصاص الطاقة الضوئية بكفاءة وتحويلها إلى طاقة حرارية. النهج التقليدي هو إضافة الحشوات السوداء مثل كربيد السيليكون (SiC)، ولكن هذا سيزيد التكلفة بشكل كبير.

لذا، هل يمكننا صنع السيراميك "الأسود" و"القوي" مع الحفاظ على تكاليف منخفضة؟ وهذا هو الدافع الأساسي لهذه الدراسة.

الطرق

الحل الذي قدمه فريق البحث ذكي للغاية ويمكن تلخيصه في كلمتين رئيسيتين: اسوداد المواد وتحسين الطوبولوجيا الهيكلية.

• استُخدم خيط ZrO₂ أسود تجاري. يزيد الطور الثانوي، وغالبًا أكاسيد معادن انتقالية، الامتصاص من الضوء المرئي إلى تحت الأحمر القريب في النطاق الرئيسي للطاقة الشمسية.

• طُبعت ثلاث هندسات TPMS مسامية، Gyroid وDiamond وPrimitive، بدل الكتل المصمتة. تجعلها المساحة السطحية والخواص الميكانيكية وإمكانات خفة الوزن مرشحة لامتصاص الشمس والتبادل الحراري وبحوث السقالات العظمية.

للتحقق من فعالية هذه الإستراتيجية، لم يقوموا فقط بتصنيع ثلاثة هياكل TPMS من ZrO₂ الأسود، ولكن أيضًا قاموا بتصنيع كتل ZrO₂ سوداء صلبة، بالإضافة إلى عينات Al₂O₃ البيضاء كعناصر تحكم. بالإضافة إلى ذلك، تمت مقارنة النتائج بمركبات CuO/Al₂O₃ المُبلغ عنها سابقًا. هذا "استعراض" أداء شامل بمواد متعددة وهياكل متعددة.

النتائج التجريبية مثيرة. لقد تجاوزت الزركونيا السوداء المواد التقليدية تمامًا في الخصائص الرئيسية.

• الأداء الضوئي

• الامتصاص الضوئي المبلغ عنه: نحو 89% لـZrO₂ الأسود مقابل نحو 31% لـAl₂O₃ الأبيض.

• تعطي المقارنة امتصاصًا يقارب ثلاثة أضعاف، بما يشير إلى التقاط طاقة شمسية أكبر ضمن شروط الإضاءة المختبرة.

الشكل 2: (أ) نمط XRD للسيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد، (ب) طيف رامان، و(ج) صورة SEM للسيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد (سطح الكسر). ملحوظة: تمثل الجزيئات الداكنة في (c-ii) مصفوفة الألومينا، بينما تمثل الجزيئات البيضاء أكسيد النحاس المنتشر

امتصاص الضوء والخواص الميكانيكية للسيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد. (أ) أطياف الامتصاص في نطاق الطول الموجي UV-Vis-NIR و (ب) منحنيات الإجهاد والانفعال للسيراميك السائب الذي تم اختباره تحت التحميل المضغوط.

البنية المجهرية: يُظهر تحليل SEM وXRD أن البنية المجهرية لـ ZrO₂ الأسود تحتوي على حبيبات أدق وكثافة أعلى. هذا هو السبب الأساسي الذي يجعل خواصه الميكانيكية أفضل بكثير من Al₂O₃ الأبيض. يعد تقوية الحبيبات الدقيقة قانونًا كلاسيكيًا لعلم المواد.

استقرار التدوير الحراري: على الرغم من أن الملخص الورقي لا يعطي قيمًا محددة، إلا أن الدراسة تقيم بوضوح استقرار التدوير الحراري. يمكن استنتاج أن ZrO₂، نظرًا لمقاومته العالية للصدمات الحرارية، يمكنه الحفاظ على أداء مستقر أثناء التناوبات الساخنة والباردة المتكررة، وهو أمر بالغ الأهمية للخدمة طويلة المدى في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة.

رسم تخطيطي لأجزاء السيراميك المحضرة باستخدام تقنية FFF. (أ) الطباعة ثلاثية الأبعاد، (ب) إزالة المذيبات، (ج) تجفيف الهواء، (د) الإزالة الحرارية والتلبد، (هـ) الجزء النهائي الملبد، (و) نموذج CAD وصورة للهيكل الخزفي TPMS المطبوع ثلاثي الأبعاد المقابل بعد التلبد. الأرقام في (F) تمثل العينات التالية: 1) نموذج CAD، 2) ZrO₂، 3) Al₂O₃، 4) CuO/Al₂O₃. تمثل الدائرة السوداء المميزة بـ (F) خلية الوحدة، وتسلط الدائرة الحمراء الضوء على صورة SEM التي توضح جودة الطباعة. تجدر الإشارة إلى أنه تم تحضير CuO / Al₂O₃ في دراستنا السابقة مع معالجة حرارية إضافية بعد الطباعة

الخلاصة

هذه الدراسة أكثر بكثير من ورقة وهو يبين بوضوح الإمكانات الهائلة التي ينطوي عليها الجمع بين تكنولوجيا طباعة 3D FFF وبين التصميم المتطور للمواد.

• توفر FFF مسار معدات قد يكون أقل تكلفة من بعض أنظمة البلمرة أو التلبيد الليزري. ويبقى الإنتاج الواسع منخفض التكلفة هدف تطوير لا ضمانًا مثبتًا.

• يجمع ZrO₂ الأسود بهندسة TPMS الامتصاص والمقاومة، مما يجعله مرشحًا لمستقبلات الشمس المركزة والمفاعلات الشمسية الحرارية الكيميائية والمبادلات عالية الحرارة.

• يمكن تعديل سمك الجدار والمسامية والطوبولوجيا: جدران أرق لمناطق الامتصاص أو Primitive عند أولوية المقاومة، مع التحقق التجريبي.

وبطبيعة الحال، لا تزال هناك تحديات يجب التغلب عليها في الانتقال من المختبر إلى التطبيقات واسعة النطاق. على سبيل المثال، كيف يمكن ضمان دقة الطباعة واتساقها على الأجزاء ذات الحجم الأكبر؟ ما هي متانة المادة على المدى الطويل في البيئات الفعلية ذات درجة الحرارة العالية والإشعاع العالي؟ هذه تتطلب مزيدا من البحث المتعمق.

معلومات الاقتباس الورقي: Costa Oliveira FA، Sardinha M، Galindo J، et al. التصنيع الإضافي لهياكل TPMS المصنوعة من سيراميك الزركونيا الأسود مع خصائص فيزيائية ميكانيكية وبصرية فائقة [J]. مجلة أبحاث المواد والتكنولوجيا، 2026، 42: 11477-11488. دوى: 10.1016/j.jmrt.2026.05.226.