Чёрный ZrO₂ TPMS для солнечно-тепловых систем

Когда керамика учится «фотосинтезировать»: как технология 3D-печати может утроить эффективность солнечной энергии?

Предпосылки исследования

В мире инженерных материалов керамика устойчива к высоким температурам, коррозии и обладает высокой твердостью. Они являются идеальными материалами для изготовления лопаток аэрокосмических двигателей, искусственных суставов и электронных подложек. Однако у керамики есть и роковая слабость: хрупкость. При производстве керамических компонентов сложной формы традиционные методы обработки не только неэффективны и дорогостоящи, но также могут легко вызвать микротрещины, что приводит к чрезвычайно низкому выходу продукции.

Сводная легенда

Это приводит к «невозможному треугольнику» керамики: сложным формам, низкой стоимости, высокой производительности, которые часто не доступны в сочетании. Появление технологий обогащения (3D-печати), в частности технологии плавления проводов (FFF), позволило выйти из этого тупика. Технология FFF похожа на укладку стереоструктуры слоем керамического клея, который является недорогим, быстрым и теоретически может принимать любую форму.

Но возникли проблемы: хотя обычная белая керамика из оксида алюминия (Al₂O₃) или оксида циркония (ZrO₂) дешева, ее цвет белый, а это значит, что она отражает большую часть солнечного света. В системах концентрированной солнечной энергии (CSP) нам нужны «черные» материалы, которые могут эффективно поглощать световую энергию и преобразовывать ее в тепловую энергию. Традиционный подход заключается в добавлении черных наполнителей, таких как карбид кремния (SiC), но это значительно увеличит стоимость.

Итак, можем ли мы сделать керамику одновременно «черной» и «прочной», сохранив при этом низкую себестоимость? Это основная мотивация данного исследования.

Методы

Решение, предложенное исследовательской группой, очень умное, и его можно обобщить двумя ключевыми словами: почернение материала и оптимизация топологии конструкции.

• Использована коммерческая чёрная нить ZrO₂. Вторая фаза, обычно оксиды переходных металлов, повышает поглощение в видимом и ближнем ИК-диапазоне солнечного спектра.

• Вместо сплошных блоков напечатаны TPMS Gyroid, Diamond и Primitive. Их поверхность, механика и малая масса интересны для солнечных поглотителей, теплообменников и исследований костных каркасов.

Чтобы проверить эффективность этой стратегии, они не только изготовили три структуры TPMS из черного ZrO₂, но также изготовили сплошные черные блоки ZrO₂, а также образцы белого Al₂O₃ в качестве контроля. Кроме того, результаты сравнивались с ранее опубликованными композитами CuO/Al₂O₃. Это комплексный «парад» представлений с использованием множества материалов и различных структур.

Результаты экспериментов впечатляют. Черный диоксид циркония полностью превзошел традиционные материалы по ключевым свойствам.

• Оптические свойства

• Поглощение света: около 89% у чёрного ZrO₂ против около 31% у белого Al₂O₃.

• Сравнение показывает почти трёхкратное поглощение и больший захват солнечной энергии при условиях опыта.

Рисунок 2: (а) рентгенограмма 3D-печатной керамики, (б) спектр комбинационного рассеяния света и (в) СЭМ-изображение 3D-печатной керамики (поверхность излома). Примечание. Темные частицы на (c-ii) представляют собой матрицу оксида алюминия, а белые частицы — диффузный оксид меди.

Светопоглощение и механические свойства керамики, напечатанной на 3D-принтере. (а) Спектры поглощения в диапазоне длин волн УФ-Вид-БИК и (б) кривые растяжения объемной керамики, испытанной при сжимающей нагрузке.

Микроструктура: СЭМ и рентгеноструктурный анализ показывают, что микроструктура черного ZrO₂ имеет более мелкие зерна и более высокую плотность. Это основная причина, почему его механические свойства намного лучше, чем у белого Al₂O₃. Мелкозернистое упрочнение — классический закон материаловедения.

Стабильность при термоциклировании. Хотя в аннотации статьи не приводятся конкретные значения, в исследовании четко оценивается стабильность при термоциклировании. Можно сделать вывод, что ZrO₂ благодаря своей более высокой стойкости к тепловому удару может сохранять стабильные характеристики при многократном чередовании горячего и холодного режимов, что имеет решающее значение для долгосрочной службы в системах CSP.

Принципиальная схема керамических деталей, изготовленных по технологии FFF. (A) 3D-печать, (B) удаление связующего растворителем, (C) сушка на воздухе, (D) термическое удаление связующих и спекание, (E) окончательная спеченная деталь, (F) CAD-модель и фотография соответствующей 3D-печатной керамической структуры TPMS после спекания. Числа в (F) обозначают следующие образцы: 1) модель CAD, 2) ZrO₂, 3) Al₂O₃, 4) CuO/Al₂O₃. Черный кружок, отмеченный (F), представляет элементарную ячейку, а красный кружок выделяет изображение SEM, демонстрирующее качество печати. Следует отметить, что CuO/Al₂O₃ была получена в нашем предыдущем исследовании с дополнительной послепечатной термообработкой.

Заключение

Это исследование гораздо больше, чем бумага. Это наглядно демонстрирует огромный потенциал объединения технологии 3D-печати FFF с передовым дизайном материалов.

• FFF потенциально снижает стоимость оборудования по сравнению с некоторыми фотополимерными и лазерными системами. Дешёвое крупносерийное производство остаётся целью, а не гарантированным результатом.

• Чёрный ZrO₂ TPMS сочетает поглощение и прочность и перспективен для солнечных приёмников, термохимических реакторов и высокотемпературных теплообменников.

• Толщину стенки, пористость и топологию можно изменять: тонкие стенки для поглощения, Primitive при приоритете прочности; решения требуют проверки.

Конечно, еще предстоит преодолеть проблемы при переходе от лабораторных исследований к крупномасштабным приложениям. Например, как обеспечить точность и однородность печати на деталях большего размера? Какова долговременная долговечность материала в реальных условиях высоких температур и высокой радиации? Они требуют дальнейших углубленных исследований.

Информация о цитировании статьи: Коста Оливейра Ф.А., Сардинья М., Галиндо Дж. и др. Аддитивное производство структур TPMS из черной циркониевой керамики с превосходными физико-механическими и оптическими свойствами[J]. Журнал исследований материалов и технологий, 2026, 42: 11477-11488. DOI: 10.1016/j.jmrt.2026.05.226.