《Proceedings of the Design Society》：Design for additive manufacturing of multi-material microreactors: a simulative study on specific surface area and thermal management
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该研究探究了多材料增材制造（MMAM）设计在提升用于氨分解的微通道反应器性能方面的潜力。研究人员利用计算流体动力学（CFD）仿真，分析了由不锈钢316L和CuCr1Zr构成的设计，以优化比表面积和温度分布。结果表明，与单材料设计相比，MMAM设计可将温度梯度降
该研究探究了多材料增材制造（MMAM）设计在提升用于氨分解的微通道反应器性能方面的潜力。研究人员利用计算流体动力学（CFD）仿真，分析了由不锈钢316L和CuCr1Zr构成的设计，以优化比表面积和温度分布。结果表明，与单材料设计相比，MMAM设计可将温度梯度降低多达26.81 K，并将燃料处理器效率提升多达3.2个百分点。这些发现凸显了MMAM在优化反应器效率方面的潜力。
化石燃料目前约占全球能源供应的80%。受气候变化驱动，化石燃料使用须大幅削减，绿氢在能源密集型产业脱碳中扮演重要角色。氢气储存因其低密度而成为重大挑战。氨因其高储氢密度和易液化特性，成为一种具有前景的化学氢载体。氨分解制氢在催化反应器中进行，分为填充床反应器和微通道反应器两类主要类型。比表面积是影响氨分解反应转化率的关键因素，因反应发生在催化剂表面。为提升比表面积，可通过增加微通道数量及优化其几何结构实现。该吸热反应需要持续供热，且反应高度依赖温度，温度小幅提升即可显著促进氨转化率。然而，比表面积较大的反应器中，吸热反应易导致冷点形成，对转化率产生负面影响。现有电加热微通道反应器研究多仅考虑单层微通道结构，虽利于实现均匀温度分布，但严重制约了几何自由度与规模化扩展可能性。
增材制造技术为复杂构件设计提供了新途径，其中多材料增材制造（MMAM）获得广泛关注。MMAM在单一构件中处理多种材料，为设计过程增添了额外自由度，使得构件局部性能可通过材料选择加以调控。目前MMAM尚未应用于催化反应器制造，但已在换热器领域有所示范，多处于技术成熟度4-5级的制造可行性验证阶段。相比之下，单材料增材制造用于催化反应器的成熟度已由Wei等研究人员通过制备多种自催化反应器得以证实。
该研究的核心思路在于利用MMAM处理两种材料，以期在高比表面积微通道反应器中实现更均匀的温度分布。具体而言，采用耐腐蚀材料（如不锈钢316L）直接接触反应物，同时采用高导热材料（铜合金CuCr1Zr）优化反应器内部温度分布。MMAM提供的材料分布自由度远超传统方法，使该项研究成为可能。研究人员考察了不同MMAM设计对反应器芯体比表面积及温度分布的影响，分析了最大化芯体比表面积与优化温度分布之间的权衡关系，针对适用于激光束粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺的不锈钢316L和铜合金CuCr1Zr材料组合开展了CFD仿真研究，并将MMAM设计与单材料不锈钢设计进行了对比量化分析。
该研究作为未来多目标优化的前期工作，旨在探寻氨分解反应器的最优MMAM设计。
研究人员开展的仿真研究采用了若干关键技术方法。在几何建模方面，基于PBF-LB/M工艺的体素分辨率约束（0.5 mm × 0.5 mm），设计了管式微通道反应器CAD模型，直径20 mm、长度10 mm，流体通道由2×2个体素（1 mm × 1 mm）构成，通道周围至少布置一层不锈钢316L（壁厚0.5 mm）以防腐蚀和氢脆，其余区域填充CuCr1Zr或316L，共计生成12种设计、24个CAD模型，比表面积介于776.68 m2/m3至1413.30 m2/m3之间。在网格划分方面，采用Ansys Meshing进行网格生成，单元尺寸设为0.2 mm，在流体与壁面过渡处添加棱柱层以改善传热分辨率，节点数约90万，并通过0.1 mm网格验证了解无关性。在CFD仿真方面，采用Ansys Fluent 2025 R2进行稳态热仿真，材料属性取自软件数据库或文献实测数据（CuCr1Zr热导率取270 W/(m·K)），边界条件设定为电加热壁面恒温1000 K、入口流速0.5 m/s、入口温度300 K、出口表压0 Pa，假设绝热稳态、不可压缩层流、壁面无滑移。在性能评估方面，分离热仿真与化学反应计算，采用Chiuta等的氨分解动力学数据，基于各通道温度确定氨转化率，并按Blauth等的方法计算燃料处理器效率。
研究结果表明，不同设计的微通道反应器出口处气体温度梯度高达68.35 K，多数情况下单材料反应器的温度梯度更大，对应MMAM设计最高可降低26.81 K。帕累托前沿图显示，MMAM设计在高比表面积与低温度梯度之间提供了最佳折中。以Design G为例，MMAM设计在反应器长度5 mm处的横截面上展现出显著更均匀的温度分布。燃料处理器效率方面，由单材料设计切换至对应MMAM设计可提升0.4至3.2个百分点。氨转化率计算结果为89.16%至99.59%，切换至MMAM设计最高可提升4.17个百分点。
讨论部分，研究人员将所得温度梯度与文献值（60 K至83.72 K）进行了对比验证，指出MMAM设计降低温度梯度的效果源于CuCr1Zr的优异导热性，但该效应取决于具体设计，个别设计（如Design I）因导热改善不均衡反而出现温度梯度增大的情况。研究人员同时指出了模型的主要局限性：热仿真未耦合化学反应，实际反应过程中气体组成变化会影响热物性；燃料处理器效率计算未考虑电能转化损失和热量损失，实际效率可能低于计算值，预计约为75%左右；操作参数（入口流速、壁面温度）保持恒定，存在优化空间；CAD模型假设光滑壁面，未考虑增材制造实际表面粗糙度对传热和压损的双重影响，以及粗糙度对催化剂涂层附着力的潜在作用；MMAM制造的资格认证挑战，如孔隙和裂纹导致的泄漏风险，尚需未来工作验证。尽管如此，不锈钢316L与CuCr1Zr的MMAM工艺可行性及参数研究基础已较为成熟。
研究结论部分指出，该研究通过CFD仿真考察了面向MMAM-PBF-LB/M工艺设计的微通道反应器的比表面积与热管理特性。与单材料设计相比，MMAM设计可降低出口气体温度梯度、提升气体平均温度，进而提高氨转化率和燃料处理器效率。核心发现包括：MMAM设计可将出口气体温度梯度降低多达26.81 K；燃料处理器效率提升多达3.2个百分点；MMAM效果因设计而异，差异显著。
展望未来，研究人员提出以下方向：优化各设计的操作参数（入口流速、壁面温度）；开展实验验证仿真结果并证明MMAM制造成熟度；以现有设计为初始种群开展多目标优化，获取理想材料分布；实现几何生成与仿真的自动化以支持自动多目标优化；沿反应器长度方向进行优化，考虑化学反应引起的可变气体组成及复杂通道路径的传热效应。该研究发表于《Proceedings of the Design Society》，为MMAM在可持续能源转换组件中的应用提供了重要理论基础与设计指导。
