含能材料與3D 打印融合發(fā)展的思考

含能材料作為武器系統(tǒng)推進(jìn)和毀傷的能源，其制造技術(shù)對(duì)提升含能材料的綜合性能有重要支撐作用。多年來含能材料的設(shè)計(jì)和制造基于“減材制造”模式不斷發(fā)展，經(jīng)歷百年的研究，進(jìn)一步提升含能材料的綜合性面臨著巨大挑戰(zhàn)。

基于“增材制造”模式的3D 打印技術(shù)與含能材料的融合發(fā)展為結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計(jì)與制造提供新的途徑，賦予含能材料新的發(fā)展方向和技術(shù)途徑（圖1）。美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將3D 打印技術(shù)作為下一代核武庫(kù)制備技術(shù)（Next-Generation Stockpile）。結(jié)合含能材料對(duì)力/熱刺激的響應(yīng)敏感性特點(diǎn)和3D 打印技術(shù)工藝，目前研究最為廣泛的是基于墨水（ink）直寫技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)了含能材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造高度融合，推動(dòng)設(shè)計(jì)與制造模式的進(jìn)步與革新。

圖1 3D 打印含能材料（a）發(fā)射藥，（b）含鋁炸藥，（c）始發(fā)藥半球及其爆轟波形圖

1. 3D 打印技術(shù)與含能材料融合發(fā)展的價(jià)值

（1）推動(dòng)含能材料制造技術(shù)革新，多年來發(fā)展的制造技術(shù)與工藝多為間歇式模式，工序多，過程復(fù)雜，特別是對(duì)人工作業(yè)的依賴性高，部分工藝技術(shù)落后，自動(dòng)化水平和制造效率低，成為含能材料領(lǐng)域發(fā)展的行業(yè)難題。

依托于3D 打印技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)混合制備技術(shù)，如聲共振混合、超聲混合等，有望形成含能材料制造的新型技術(shù)工藝鏈，可將現(xiàn)有多步間歇式的工藝變?yōu)檫B續(xù)化、一步完成，化繁為簡(jiǎn)，提高自動(dòng)化水平和制造效率，消除間歇式工藝帶來的制造難題（含能材料，2019，27（6）：445-447）。特別是在微型含能元件的裝藥方面，3D 打印技術(shù)具有獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)裝藥、MEMS 含能器件等，人工作業(yè)多，質(zhì)量可靠性低，安全分險(xiǎn)高，制造效率低，發(fā)展3D 打印技術(shù)可以推動(dòng)微尺寸下裝藥技術(shù)進(jìn)步，提升技術(shù)水平（Energ Mater Front，2022，3：97-108）。在2007 年美國(guó)LLNL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次公開報(bào)道了采用3D 打印技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)裝藥中研究和應(yīng)用，裝藥能可靠的起爆和傳爆。2018 年報(bào)道了3D 打印制造PBX 炸藥半球，裝藥密度可以達(dá)到理論密度的93%，驗(yàn)證了炸藥半球的爆轟波傳播穩(wěn)定性，這對(duì)于PBX 炸藥的成型無疑是一次突破和創(chuàng)舉。

將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于固體推進(jìn)劑裝藥，打印復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱，無需模具，高度可達(dá)100 mm，其體積密度、拉伸強(qiáng)度和燃速均與傳統(tǒng)澆注-固化工藝制備的推進(jìn)劑性能相當(dāng)。美國(guó)NASA 開展了固體推進(jìn)劑的打印制造成型技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑藥柱的3D 打印制造?；贑AD 和數(shù)字化發(fā)展的3D 打印技術(shù)已經(jīng)和大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)融合發(fā)展，未來3D 打印技術(shù)與含能材料融合，將推動(dòng)制造技術(shù)革新，提升自動(dòng)化水平，提高制造效率。

（2）調(diào)控含能材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)含能材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征是影響其性能的重要因素，如調(diào)控炸藥晶體形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化安全性、鋁粉顆粒尺寸提升燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性等。近年來，利用3D 打印技術(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)精細(xì)控制的工藝優(yōu)勢(shì)，控制含能材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)改善綜合性能成為研究熱點(diǎn)。

2016 年LLNL 實(shí)驗(yàn)室報(bào)告了采用3D 打印技術(shù)制備納米含能材料，通過3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧化劑與燃燒劑的均勻混合，為納米含能材料的微裝藥、成型和研究燃燒反應(yīng)機(jī)制提供新的方法（Adv Mater 2016，28：1934-1939）。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室于2017 年報(bào)道了基于生物質(zhì)納米含能材料制備及其3D 打印成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可視化的含能材料成型和功能化（Nat Commu. 2017，8：15156）。美國(guó)普渡大學(xué)針對(duì)Al 基復(fù)合含能材料，采用3D 打印技術(shù)調(diào)控復(fù)合含能材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高能量釋放和燃燒反應(yīng)特性。

3D 打印技術(shù)在微結(jié)構(gòu)定制方面的優(yōu)勢(shì)也為多孔發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控提供了可行的途徑。荷蘭應(yīng)用科學(xué)院以黑索今基炸藥為材料對(duì)象，利用光固化3D 打印技術(shù)制得具有縱向和徑向穿孔的多孔發(fā)射藥和新型高堆積密度發(fā)射藥。研究者以AP/Al 基固體推進(jìn)劑為配方，采用3D 打印技術(shù)制備了特殊內(nèi)孔形狀的固體推進(jìn)劑（圖2），通過改變內(nèi)孔形狀，可調(diào)控推進(jìn)劑藥柱燃燒反應(yīng)速率（J Propul Power，2018，34（4）：1090-1093）。

圖2 3D 打印梯度結(jié)構(gòu)固體推進(jìn)劑AP/Al（a）打印示意圖，（b～e）密度梯度化試件照片圖，（f～g）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，（h）為矩形試件

（3）突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)研制模式?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)-制造-試驗(yàn)-評(píng)價(jià)的研制模式周期長(zhǎng)，成本高，同時(shí)新的設(shè)計(jì)思路受限于制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證和應(yīng)用。如現(xiàn)有戰(zhàn)斗部的殼體、裝藥和預(yù)制破片通過分級(jí)制造組裝模式。同時(shí)，受現(xiàn)有炸藥裝藥的技術(shù)制約，戰(zhàn)斗部裝藥的微結(jié)構(gòu)、組成呈現(xiàn)宏觀均勻化形態(tài)，調(diào)控能量輸出性能途徑單一。通過分層徑向裝藥、密度或成分漸變的梯度裝藥等，可實(shí)現(xiàn)不同種類炸藥、炸藥密度在空間一定區(qū)域上的分布，就可設(shè)計(jì)制造出具有多種毀傷模式的戰(zhàn)斗部。

這種新的結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用需要大量的方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)摸索、工藝驗(yàn)證等。基于3D 打印技術(shù)，發(fā)展多材料-結(jié)構(gòu)的一體化連續(xù)制造技術(shù)，并與數(shù)值化和智能化融合設(shè)計(jì)可迅速的制造出設(shè)計(jì)的目標(biāo)含能材料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的定制，推動(dòng)正向設(shè)計(jì)的研制模式。

2. 3D 打印技術(shù)與含能材料融合發(fā)展的挑戰(zhàn)與建議

3D 打印技術(shù)與含能材料的融合發(fā)展帶來巨大技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)也面臨技術(shù)難的問題，主要表現(xiàn)在打印精度和制造效率的矛盾；打印的含能材料試件密度相對(duì)低；目標(biāo)對(duì)象-材料設(shè)計(jì)和打印工藝不匹配。含能材料的3D 打印技術(shù)涉及材料物理化學(xué)、制造科學(xué)和機(jī)械工程裝備等多學(xué)科理論知識(shí)。要解決當(dāng)前的技術(shù)難題，推動(dòng)含能材料與3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，需要從關(guān)鍵材料、技術(shù)工藝和裝置等方面開展重點(diǎn)研究。

（1）關(guān)鍵核心材料與工藝匹配性。一代材料，一代裝備的研制模式下，多年來含能材料領(lǐng)域的研究以開發(fā)新材料為主要突破口，同時(shí)材料設(shè)計(jì)研制以“減材制造”模式技術(shù)工藝為主導(dǎo)。因此，研發(fā)與3D 打印技術(shù)工藝相匹配性的關(guān)鍵核心材料是最大的挑戰(zhàn)（Adv Mater 2019，1806575）。

針對(duì)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制一體化，設(shè)計(jì)研制關(guān)鍵核心材料，是突破含能材料與3D 打印技術(shù)融合發(fā)展的關(guān)鍵。在關(guān)鍵核心材料中，新型黏結(jié)劑體系的開發(fā)尤為重要，這類黏結(jié)劑既要滿足含能材料的能量-安全-力學(xué)三大性能要求，同時(shí)還要滿足打印技術(shù)工藝要求。就具體途徑而言，一是對(duì)在含能材料用的高分子進(jìn)行功能化改性，滿足3D 打印技術(shù)工藝和工程需求；二是開發(fā)新的高分子材料，特別是光固化、熱固化高分子材料體系。

（2）材料體系與技術(shù)工藝匹配性。材料體系涉及單元材料和復(fù)合體系兩個(gè)方面，針對(duì)3D 打印技術(shù)對(duì)核心材料的性能需求，滿足3D 打印技術(shù)工藝的單元材料和可打印復(fù)合體系是關(guān)鍵（Propellants Explos Pyrotech 2019，44：1-30）。在單元材料方面主要是金屬燃料和炸藥顆粒，核心是要開展高活性金屬粉、炸藥顆粒的分子組裝與表面功能化技術(shù)，使其滿足工藝和功能兼容性。

在此基礎(chǔ)上，開展可打印炸藥體系設(shè)計(jì)制備研究，使其滿足現(xiàn)有能量-安全-力學(xué)要求。具體研究方面涉及面向3D 打印含能體系的流變性、成型性和穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性。如黏結(jié)劑分子的構(gòu)建及其對(duì)含能體系的流變性與成型性的影響規(guī)律；炸藥和高能金屬顆粒尺寸對(duì)含能體系的流變性與成型性的影響規(guī)律；含能體系固相顆粒/高分子的界面作用行為與機(jī)制；剪切作用下含能體系的流變性特性與變化規(guī)律研究；含能體系的配方設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，開發(fā)滿足穩(wěn)定快速成型的含能體系配方。

（3）技術(shù)工藝裝置的匹配性。針對(duì)含能材料的應(yīng)用功能需求，如戰(zhàn)斗部裝藥毀傷可控、固體推進(jìn)劑推力可調(diào)，基于含能體系和裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，開展數(shù)字化的3D 打印技術(shù)研究，如滿足含能體系的打印成型原理與技術(shù)的設(shè)計(jì)，含能體系原料的可控輸運(yùn)與擠出技術(shù)，裝藥的致密化與精準(zhǔn)化成型技術(shù)等。從前期的研究結(jié)合含能材料的理化性能，基于ink 的3D 打印技術(shù)依然是未來發(fā)展的主要方向。通過打印成型原理與技術(shù)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵過程和工藝的研究，獲得滿足多種裝藥結(jié)構(gòu)的一體化打印制造技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)裝藥的設(shè)計(jì)與制造的一體化，滿足含能材料結(jié)構(gòu)與功能的按需定制要求。

在材料和技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)滿足含能材料制造、安全高效的3D 打印裝置平臺(tái)是促進(jìn)含能材料與3D打印技術(shù)深度融合發(fā)展的基礎(chǔ)條件（成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2017，34：24-29）。含能材料的材料體系-結(jié)構(gòu)特征和功能，特別是火炸藥作業(yè)安全性對(duì)裝置平臺(tái)提出了系列化的要求，如安全性、功能性、自動(dòng)化與數(shù)字化等。未來面向設(shè)計(jì)-制造一體化發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)化、智能化的裝置平臺(tái)將是推進(jìn)含能材料和3D 打印技術(shù)融合發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵。