熱流體層板裝置研究進(jìn)展及應(yīng)用綜述*

尹 亮，劉偉強(qiáng)

(1. 湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 常德 415000； 2. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

層板技術(shù)的最初設(shè)想始于1948年Zucro提出的采用板片間流出冷卻劑來實(shí)現(xiàn)冷卻這一概念[1]。1964年，Aerojet公司提出了層板發(fā)汗冷卻的概念，采用表面刻有冷卻劑通道的層板來制作火箭發(fā)汗冷卻推力室[2-3]，層板構(gòu)型技術(shù)第一次正式提出，并用于實(shí)際應(yīng)用。

層板技術(shù)是采用化學(xué)刻蝕或光刻等技術(shù)在薄板上按照設(shè)計(jì)需要加工出流體流道，然后將薄板按照預(yù)定的順序通過擴(kuò)散焊等工藝技術(shù)進(jìn)行組合，構(gòu)成設(shè)計(jì)所需的通道圖案和壁面形狀，以滿足特定的流動與換熱需求的技術(shù)。層板裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)型類似于數(shù)學(xué)上的“微積分”概念，將內(nèi)部復(fù)雜的流道設(shè)計(jì)“微分”到單個的層板部件中，再通過擴(kuò)散焊等成型技術(shù)將單個的層板“積分”成整體構(gòu)型[4]。單片層板和整體裝置成型過程如圖1所示。由于這種特殊的加工制造工藝，層板裝置內(nèi)部的流體通道可以按照需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，內(nèi)部流道可以任意轉(zhuǎn)彎，內(nèi)壁面也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要通過層板的堆砌來得到理想的設(shè)計(jì)構(gòu)型圖案。

(a) 單個層板(a) Single element (b) 層板裝置(b) Platelet device圖1 層板成型過程Fig.1 Platelet device fabrication process

由于結(jié)構(gòu)的可靈活設(shè)計(jì)，層板裝置可以解決各種復(fù)雜的流動和傳熱問題以及高溫裝置內(nèi)部的熱防護(hù)問題。層板精確分流的特點(diǎn)可以使得流道出口的流量與壓力隨著層板內(nèi)流道阻力的不同而不同，因此根據(jù)需要可以通過設(shè)計(jì)流道的形狀與截面積來控制流道內(nèi)部阻力，從而使得通道內(nèi)流量可以根據(jù)局部的需求而變化，以滿足局部工作狀態(tài)需要。

此外，層板裝置便于自動化加工，由于將復(fù)雜的流道構(gòu)型微分成多個層板，將難以加工的三維造型簡化為類似于二維的層板加工[5]。這種加工技術(shù)類似于降維處理的方式，使原本難以加工的復(fù)雜構(gòu)型簡單化。同時，層板裝置對于所用材料要求不高，只需保證所用的層板薄片具有良好的刻蝕及擴(kuò)散焊性能。同時層板薄片通過擴(kuò)散焊形成整體結(jié)構(gòu)后其材料性質(zhì)與母材幾乎相同，從而保證材料性能的延續(xù)性[6-7]。層板技術(shù)的這種優(yōu)勢使得許多難以加工的構(gòu)型成為可能，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣化，從而滿足應(yīng)用的需求。

自層板技術(shù)的概念提出以來，已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如液體火箭發(fā)動機(jī)噴注器、燃?xì)廨啓C(jī)葉片、飛行器、換熱器、雷達(dá)、燃料電池等。隨著化學(xué)刻蝕和光刻技術(shù)的發(fā)展，以及3D打印技術(shù)的不斷成熟，制約層板制作與精準(zhǔn)定位等問題已得到較好解決，如層板內(nèi)部流道及型孔邊緣存在飛邊及毛刺以及光刻層板兩面流道及型孔對稱、均勻較差等問題。然而目前層板間雙面自對準(zhǔn)誤差仍達(dá)0.000 1 mm，在微電子領(lǐng)域及精密微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)方面雙面自對準(zhǔn)誤差還有較大的改善空間。同時，隨著擴(kuò)散焊技術(shù)的不斷成熟及對層板結(jié)構(gòu)機(jī)理研究的不斷深入，層板技術(shù)也由傳統(tǒng)的換熱冷卻領(lǐng)域轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域，一些新型的層板裝置也不斷被提出，如層板式消聲器、層板式氣浮軸承、高速船推進(jìn)器、飛行器層板式前緣結(jié)構(gòu)等[8-13]。表1為近年來層板裝置的新應(yīng)用。

表1 層板裝置的新應(yīng)用[14-19]

1 層板冷卻結(jié)構(gòu)

層板構(gòu)型技術(shù)最初的應(yīng)用主要集中在航空航天領(lǐng)域熱防護(hù)方面，如液體火箭發(fā)動機(jī)發(fā)汗冷卻燃燒室、飛行器再入發(fā)汗冷卻鼻錐、低壓高熱流熱管、攔截器上的Infra-Red窗、熱交換器等[20-23]。這些冷卻裝置充分利用了層板技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的工作條件和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活的冷卻裝置。國外對層板冷卻結(jié)構(gòu)的研究較早，除上述層板式熱流體裝置之外，目前國內(nèi)外對層板冷卻結(jié)構(gòu)的研究主要集中在采用層板結(jié)構(gòu)對渦輪葉片進(jìn)行冷卻，涉及換熱特性、流阻特性、冷卻特性、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究[24-28]。

1.1 發(fā)汗冷卻推力室

液體火箭發(fā)動機(jī)發(fā)汗冷卻推力室最早由美國空軍火箭推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室[2,18]設(shè)計(jì)并應(yīng)用，圖2是發(fā)汗冷卻推力室單元。它由不銹鋼制成的層板沿軸向疊放，冷卻劑通道呈放射狀分布，層板類型為Transpire型層板，分為控制層板與散布層板，層板的散布流道中含有基注，冷卻劑從集液腔通道進(jìn)入層板發(fā)汗冷卻單元，通過主控制通道和二次控制通道分配冷卻劑流量，并通過二次控制通道進(jìn)入散布區(qū)。層板上的T型限流塊起到分隔流體的作用，將散布區(qū)分隔成若干個彼此獨(dú)立的小區(qū)域。熱影響區(qū)域被限制在散布區(qū)，因此不會影響控制通道的流量分配，從而避免局部熱點(diǎn)問題。層板內(nèi)的流道尺寸隨著推力室圓柱段、收斂段、喉部、擴(kuò)張段熱流的變化而變化。

圖2 發(fā)汗冷卻推力室單元[18]Fig.2 Platelet transpiration cooling element structure[18]

美國的Aerojet公司設(shè)計(jì)了一系列的層板發(fā)汗冷卻燃燒室，并做了相關(guān)的試驗(yàn)。其中TRANSPIRE型層板發(fā)汗冷卻燃燒室在燃燒室壓力為20.68 MPa的試驗(yàn)中時持續(xù)工作了20 s。20世紀(jì)70年代，ANTCAT型水冷燃燒室采用N2O4、A-50、LO2以及菁苯化合物為推進(jìn)劑的試驗(yàn)點(diǎn)火超過了200次。該試驗(yàn)中最大的臨界熱流達(dá)到了81.89 MW/m2。TRANSPIRE概念已經(jīng)適應(yīng)了高壓氧氣/氫氣火箭發(fā)動機(jī)小推力、輕型的、矩形截面的燃燒室的需求[29]。

20世紀(jì)90年代中期，美國Aerojet研制了一種雙燃料/雙膨脹(Dual Fuel/Dual Expansion, DF/DX)發(fā)動機(jī)[30]，該發(fā)動機(jī)采用了層板工藝，在推力室結(jié)構(gòu)上采用了層板式噴注器與層板式室壁發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)，大大減輕了渦輪泵的負(fù)擔(dān)，使得發(fā)動機(jī)尺寸小、質(zhì)量輕、推重比高。燃燒室采用丙烷(內(nèi)室) 和氫(外室) 發(fā)汗冷卻，Aerojet公司精確的層板設(shè)計(jì)，使得層板發(fā)汗冷卻得以實(shí)現(xiàn)，其壓降與再生冷卻相比也更小。該方案已經(jīng)成功通過了地面試車驗(yàn)證。

1.2 發(fā)汗冷卻鼻錐

發(fā)汗冷卻鼻錐同樣可以采用層板技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過合理地設(shè)計(jì)層板內(nèi)控制通道與散布通道結(jié)構(gòu)與尺寸，可以保證通道內(nèi)冷卻劑流量恒定不受鼻錐表面熱流的影響。如圖3所示，該裝置由多塊隨高度增加半徑依次減小的圓環(huán)形發(fā)汗層板疊加而成，各層板中心位于同一直線上，層板的中心圓孔依次堆疊構(gòu)成冷卻劑流動通道，冷卻劑通過集液腔入口進(jìn)入錐部，并通過層板內(nèi)的散布通道以較低的速度噴入外流場邊界層，從而對鼻錐進(jìn)行有效的熱防護(hù)。

圖3 層板式發(fā)汗冷卻鼻錐Fig.3 Platelet transpiration cooling nose-tip

層板式鼻錐的高冷卻效率得益于層板式鼻錐靈活有效的設(shè)計(jì)，這是由于精確的流道設(shè)計(jì)使得冷卻劑的流量分布適應(yīng)局部的熱流要求；通過控制熱浸深度可使鼻錐表面的溫度接近材料的熔點(diǎn)但是又不被破壞，同時，還可以將冷卻劑的速度與材料的導(dǎo)熱率進(jìn)行耦合計(jì)算，使得冷卻劑和壁面達(dá)到熱平衡。

美國阿諾德工程發(fā)展中心(Arnold Engineering Development Complex, AEDC)針對層板式鼻錐做了大量的地面試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)，這些試驗(yàn)證明層板式鼻錐可以在很嚴(yán)酷的熱環(huán)境下工作，且證明了層板式鼻錐可以在超過327.58 MW/m2的熱流條件下工作[29]。為了克服鼻錐駐點(diǎn)區(qū)難以疊加層板的結(jié)構(gòu)問題，有關(guān)學(xué)者還提出了一種層板式逆噴與發(fā)汗的組合鼻錐。在駐點(diǎn)區(qū)采用逆向噴流的方法彌補(bǔ)層板發(fā)汗的缺陷，通過多層薄板組合成型，形成了在鼻錐駐點(diǎn)區(qū)采用逆噴熱防護(hù)，在非駐點(diǎn)區(qū)采用發(fā)汗熱防護(hù)的層板式逆噴與發(fā)汗組合鼻錐，能更好地適應(yīng)壁面熱流的變化，其最高熱流相對于僅采用駐點(diǎn)逆噴熱防護(hù)的鼻錐熱流可最多降低22.7%，且可以有效將鼻錐溫度控制在1 000 K以內(nèi)[11]。

2 層板裝置的其他應(yīng)用

2.1 層板式噴注器

在液體火箭發(fā)動機(jī)中，噴注器對發(fā)動機(jī)性能影響最大，良好的噴注器設(shè)計(jì)對推進(jìn)劑噴注、霧化、混合、燃燒及穩(wěn)定性等方面具有決定性作用。噴注器在其工作過程中由于受到燃燒室氣動熱的影響，噴注面板工作溫度較高而影響其正常工作甚至發(fā)生失效。相對于一般噴注器來說，層板式噴注器面板厚度較小，燃燒距離更短，受熱和機(jī)械載荷的影響更大，也更容易失效。

為解決上述問題，文獻(xiàn)[31-34]提出一種新型的氣膜冷卻層板式噴注器，其結(jié)構(gòu)見圖4，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：①利用層板結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)精確定位及尺寸要求，同時通過對層板內(nèi)部的孔及流道進(jìn)行合理布置，不僅能實(shí)現(xiàn)精確的流量控制，還能對噴注器各層板(如分流板)進(jìn)行有效的冷卻。②由于層板厚度小，能有效減小集液腔容積，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、響應(yīng)快等特點(diǎn)。同時噴注面板采用了濺板式噴注單元，相對于其他類型噴注單元來說具有性能高、相容性好，對工況及推進(jìn)劑溫度變化不敏感的優(yōu)點(diǎn)。③采用氣膜冷卻方法對燃燒室身部及噴注器面板進(jìn)行冷卻，可提高噴注器及發(fā)動機(jī)的使用壽命。氣膜冷卻通過在噴注器周邊的冷卻孔或通過靠近頭部的集液腔孔引入冷卻劑或推進(jìn)劑，在燃燒室壁面上形成均勻、穩(wěn)定的冷卻液膜或氣膜保護(hù)層，對燃燒室內(nèi)壁進(jìn)行冷卻。

圖4 一種氣膜冷卻層板式噴注器Fig.4 Film cooling platelet injector

對于層板式噴注器來說，由于其特殊的制造工藝及噴注方式，能有效減小發(fā)動機(jī)特征長度、結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，獲得更高的燃燒效率。同時層板式噴注器還可實(shí)現(xiàn)精確流量控制和自冷卻功能。在層板式噴注器頭部布置一圈冷卻孔，采用氣膜冷卻方法對燃燒室內(nèi)壁進(jìn)行冷卻具有一定的實(shí)際意義。

2.2 層板燃?xì)獍l(fā)汗鼻錐

層板燃?xì)獍l(fā)汗鼻錐是一種主動熱防護(hù)裝置，利用層板發(fā)汗技術(shù)與氣體發(fā)生器固體藥燃?xì)夤?yīng)技術(shù)結(jié)合，將固體藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庾鳛榘l(fā)汗的氣源，通過層板結(jié)構(gòu)的分布式縫隙噴管產(chǎn)生多層狀態(tài)的高速噴射氣流，實(shí)現(xiàn)鼻錐受熱面的熱防護(hù)[8]，其結(jié)構(gòu)見圖5。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有如下積極效果：①利用發(fā)汗層板結(jié)構(gòu)內(nèi)部流道可靈活設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，精確控制不同發(fā)汗層板的流道構(gòu)型，使得流道的阻力隨著發(fā)汗層板位置的不同而發(fā)生變化，從而控制不同層板的流量，滿足鼻錐表面不同位置的冷卻強(qiáng)度并提供穩(wěn)定的發(fā)汗流強(qiáng)。采用層板結(jié)構(gòu)既可克服多孔材料發(fā)汗冷卻出現(xiàn)局部過熱的缺陷，又可實(shí)現(xiàn)冷卻劑流量的合理分配，避免了冷卻劑的浪費(fèi)。②以固體藥氣體發(fā)生器取代高壓儲氣罐供氣系統(tǒng)，大大減少了供氣系統(tǒng)的質(zhì)量。氣體發(fā)生器與層板結(jié)構(gòu)直接相連，節(jié)省系統(tǒng)占用的空間，且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，無泄漏風(fēng)險。

圖5 一種層板式燃?xì)獍l(fā)汗鼻錐[35-36]Fig.5 Platelet transpiration cooling nose-tip[35-36]

2.3 層板式混合器

注：1—流體A入口；2—流體B入口；3—分流板B；4—分流板A；5—層板A；6—層板C；7—層板B；8—混合室；9—控制通道A；10—控制通道B；11—波紋管；12—流體出口。圖6 層板式流體混合器結(jié)構(gòu)示意圖[37]Fig.6 Structural diagram of platelet injection mixer[37]

層板式流體混合器將層板技術(shù)原理應(yīng)用于流體的混合，采用微小通道交錯噴注來實(shí)現(xiàn)流體在小尺度混合部件內(nèi)均勻混合的目的。層板式混合器的構(gòu)型如圖6所示，層板式混合器的混合部件主體結(jié)構(gòu)由大量厚度為0.1～2 mm的金屬薄片通過擴(kuò)散焊焊接而成。金屬薄片按照流道設(shè)計(jì)要求雕刻有流動控制通道，控制流體的流量和流強(qiáng)。不同薄片按照一定的順序組合疊放，形成混合腔室壁，并在室壁形成沿軸向與周向均交錯排列的噴口。流體在軸向與周向均按照流體甲/流體乙/流體甲……的方式交錯分層噴出；當(dāng)流體為液態(tài)時，其滲出方式與人體排汗類似；當(dāng)流體為氣態(tài)時，以扇形薄層方式噴出。流體間速度的差異產(chǎn)生剪切力，進(jìn)而形成流向渦結(jié)構(gòu)，從而使流體摻混均勻。多噴口交錯噴注的方式可以加速流體的混合，使流體在更小的時間與空間尺度內(nèi)混合均勻。當(dāng)混合器要求流量較大時，可通過調(diào)整層板縫隙的偏轉(zhuǎn)角，使得流體產(chǎn)生一定的切向速度，增加流體的滯留時間，以此縮短混合室的長度。層板式流體混合器克服了現(xiàn)有的靜態(tài)混合器每一種流體在混合器入口處流量集中的缺點(diǎn)，將流體從多個噴口交替噴出，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、快速混合均勻等優(yōu)點(diǎn)。目前已成功應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī)低溫推進(jìn)劑摻混調(diào)控裝置中，實(shí)現(xiàn)了低溫推進(jìn)劑小容腔的均勻混合。

2.4 高速船推進(jìn)器

注：1—限流層板；2—分隔層板；3—層板組合結(jié)構(gòu)；4—噴射噴管；5—燃?xì)馔祝?—燃?xì)馊肟诳祝?—縫隙噴管流道；8—包覆焊層；9—擴(kuò)散區(qū)。圖7 高速船推進(jìn)器[38]Fig.7 High speed ship thruster[38]

噴水推進(jìn)技術(shù)是近 20 年來發(fā)展較快的一種新型推進(jìn)方式，與螺旋槳推進(jìn)不同，噴水推進(jìn)能有效克服由于螺旋槳加速及泵效率而造成效率下降的問題，其原理是利用推進(jìn)裝置中噴出的高速水流反作用推動船體前進(jìn)。與常規(guī)螺旋槳推進(jìn)相比，它具有推進(jìn)效率高、抗空泡能力強(qiáng)、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時，國內(nèi)外在氣水兩相流推進(jìn)技術(shù)上也取得較大進(jìn)展，氣水兩相推進(jìn)相比于單純的噴水推進(jìn)，在保留噴水推進(jìn)優(yōu)勢之外，還能有效地克服噴氣推進(jìn)介質(zhì)密度低造成推進(jìn)效率下降的缺點(diǎn)。針對現(xiàn)有氣水推進(jìn)的優(yōu)勢及不足，文獻(xiàn)[38]提出了一種新型氣水兩相層板式高速船推進(jìn)器。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。層板結(jié)構(gòu)由幾十片厚度為1 mm的金屬薄片焊接而成，在限流層板1上刻有供燃?xì)鈬娚涞囊淞鞯溃指魧影?上刻有燃?xì)馔?，限流層板與分隔層板交替疊放，通過擴(kuò)散焊形成層板組合結(jié)構(gòu)3。工作時，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的工作流體通過燃?xì)馊肟诳?進(jìn)入燃?xì)馔?中，再經(jīng)縫隙噴管流道7噴出。流體最后流經(jīng)擴(kuò)散區(qū)9擴(kuò)壓后，將混合流體高速噴入水中，利用反沖原理產(chǎn)生推力推動船舶運(yùn)動。同時，在擴(kuò)散區(qū)加裝轉(zhuǎn)向裝置可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“倒車”功能。

另外，該裝置還可以實(shí)現(xiàn)兩棲功能，當(dāng)動力裝置處于水面時，采用燃?xì)庖浜Ｋ蚪畬?shí)施氣水混合噴射推進(jìn)，以高噴射介質(zhì)密度的模式工作，在高速航行條件下可獲得較高的推進(jìn)效率；當(dāng)動力裝置離開水面登岸沖擊時，轉(zhuǎn)變工況進(jìn)入層板縫隙燃?xì)鈬娚渫七M(jìn)模式工作，合理地運(yùn)用水蒸氣含量高的燃?xì)庠趪姽苤械哪Y(jié)效應(yīng)，形成均勻的氣水霧狀射流，從而能夠獲得較高的岸上推進(jìn)效率。

2.5 層板式消聲器

層板式消聲器是利用層板排布形成微小的通道來減噪，屬于小孔消聲器的范疇，在噴口總面積不變的情況下，用很多小噴口來代替，使噴氣噪聲的頻譜移向高頻或超高頻，在低頻域形成拱形衰減特性、在高頻域產(chǎn)生軸向共振，使頻譜中的可聽聲成分降低。

層板式消聲器結(jié)構(gòu)如圖8所示，消聲器的主體結(jié)構(gòu)為減速空腔與層板墊片結(jié)構(gòu)體。層板墊片結(jié)構(gòu)如圖8所示，數(shù)個不同大小的開有缺口的層板墊片交錯放置疊放而成，氣流進(jìn)入層板墊片結(jié)構(gòu)后，一部分在向底部流動過程中向側(cè)面分流，另一部分達(dá)到底部后形成回流，回流過程中向側(cè)面開口分流。層板墊片結(jié)構(gòu)體形成氣流減速和側(cè)向微孔排放裝置。氣流在層板墊片結(jié)構(gòu)體內(nèi)形成漩渦或相互摩擦而減小能量。精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得氣流流入環(huán)境時，其峰值頻率提高到超聲頻率范圍，并降低噴流噪聲，達(dá)到消聲效果。

注：1—入口管；2—減速空腔；3—層板組合結(jié)構(gòu)；4—下端板；5～8—緊固裝置；9—外圈層板；10—內(nèi)圈層板。圖8 層板式消聲器[39]Fig.8 Platelet muffler[39]

3 層板裝置制作工藝

如前文所述，層板裝置的加工采用了降維的設(shè)計(jì)方法，將復(fù)雜的內(nèi)部通道的加工簡化為單個層板內(nèi)流道的二維加工。層板內(nèi)的流道通常采用光學(xué)-化學(xué)加工法或激光切削法。光學(xué)-化學(xué)加工法采用照相復(fù)印的方法，將光刻掩模板上的圖形精確地復(fù)印到涂在層板表面上的光刻膠上，然后在光刻膠的保護(hù)下對待刻蝕材料進(jìn)行選擇性刻蝕[40]。光學(xué)-化學(xué)加工法加工效率高，且允許不同深度的刻蝕。激光切削法采用高能量密度的激光束刻蝕金屬材料來獲得所需的圖案。

在另一個維度上，將加工好的層板有序疊放，對于金屬材料，可以采用擴(kuò)散焊工藝成型，使得結(jié)構(gòu)的特性與母材的性能一致。如果層板的材料不一致，可以考慮采用爆炸焊成型，爆炸焊是一種冷焊工藝，能在瞬間將不同的金屬組合，并快速牢固地焊接在一起，在爆炸焊過程中不存在熱影響區(qū)，能保持所焊金屬完整的機(jī)械性能。雖然爆炸焊能幫助解決異種金屬連接的許多問題，當(dāng)使用該工藝時還需考慮金屬變形影響。由于爆炸產(chǎn)生的高沖擊力，在爆炸焊工藝中金屬常常會變形，金屬受到拉伸時會變薄，因此在對裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時材料厚度要比允許的最低要求稍厚一點(diǎn)。目前，在層板式熱流體裝置中尚未見采用爆炸焊成型工藝的文獻(xiàn)發(fā)表。對于陶瓷材料層板，可以采用燒結(jié)成型技術(shù)成型。

近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，為層板成型技術(shù)提供了新的思路。3D打印技術(shù)是近年來發(fā)展最為迅速的一種加工制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的切削鑄造等減材制造工藝不同，3D打印技術(shù)屬于增材技術(shù)，通過3D打印設(shè)備在平面上按照CAD分層圖形將加工材料燒結(jié)或黏合，然后再一層層地疊加起來，通過每一層圖形的累積，形成所設(shè)計(jì)的三維構(gòu)型[41-43]。3D打印技術(shù)將“切屑加工”變?yōu)椤傲Ⅲw打印”，將三維實(shí)體的加工降為二維的平面制造，大大地降低了制造的復(fù)雜程度，能夠適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化制造以及創(chuàng)新思想的快速驗(yàn)證等。

層板技術(shù)的這種加工工藝類似于3D打印的加工思想，將復(fù)雜的三維構(gòu)型微分到單個的層板加工，將復(fù)雜的三維加工簡化為二維平面制造，從而加工出復(fù)雜的三維構(gòu)型?？梢哉f，層板技術(shù)在傳統(tǒng)的加工方法中融入了3D打印的技術(shù)構(gòu)思，并形成于3D打印技術(shù)之前。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下，一些層板裝置可以采用3D打印技術(shù)來加工。然而，3D打印技術(shù)由于分層制造存在的“臺階效應(yīng)”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍具有一定厚度，表面粗糙度較大，無法完全滿足微尺度流動及傳熱要求。目前供3D打印機(jī)使用的材料也非常有限，能夠應(yīng)用于3D打印的材料還非常單一，并且打印機(jī)對單一材料也非常挑剔，無法完全滿足要求。然而，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，層板裝置加工復(fù)雜、加工成本高的制約因素也必將得到有效解決。

4 結(jié)論

1)層板技術(shù)自問世以來，其獨(dú)特的工藝成型方法使得許多具有復(fù)雜內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)加工成為可能，在航空航天領(lǐng)域，極端的熱環(huán)境對于流體的流動與傳熱提出了高要求，采用層板技術(shù)的各種結(jié)構(gòu)在解決這類極端熱問題時體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)與制造的優(yōu)越性，一系列的基于層板技術(shù)的熱流體裝置相繼問世，并成功地進(jìn)行制造、試驗(yàn)和裝配應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。

2)隨著光刻、擴(kuò)散焊等成型技術(shù)的成熟，層板技術(shù)的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展，并逐漸擴(kuò)大到航空航天以外的其他領(lǐng)域，在流體混合、化學(xué)反應(yīng)、污水處理、燃料電池、換熱器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。層板技術(shù)是一種很有前途的技術(shù)，制約層板技術(shù)發(fā)展的主要原因在于其制作工藝，隨著光學(xué)-化學(xué)加工法和激光切削法的發(fā)展，層板技術(shù)必定能在各相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而為解決復(fù)雜的構(gòu)型問題提供可能。