3D打印技術在反應性材料結構制備中的應用

3D打印技術的應用為反應性材料復雜結構的制備提供了很好的技術支持，能夠比較簡單地實現正方形網格結構、菱形網格結構、類蜂巢網格結構的打印制備，并控制整體含能材料復雜結構的尺寸在10 mm內，甚至更小。目前可用于3D打印的最小針頭為0.08mm，獲得的鋁熱劑線條最小表觀直徑為0.15mm；通過粘結劑含量的調節可以使打印的線條具有相應的柔韌性，在干燥儲存過程中不發生斷裂。

3D打印結構收縮現象及原因

拍攝的照片顯示，復雜結構頂層部分出現了向內收縮的現象，而與基板貼合的底層沒有收縮現象，導致最終形成的三維結構展示出上層小、下層大的錐型走向。其主要原因是，出現收縮現象的三維結構使用的復合材料中含有相對較多的粘結劑，在干燥過程中由于溶劑的揮發導致粘結劑析出時變干變硬，對組分之中的微觀顆粒進行拉扯作用，宏觀上就展現出了收縮現象。另外，底層的復合材料由于基板的支撐作用，沒有特別明顯的收縮現象出現，但是收縮的趨勢仍然存在。

復合材料組分均勻性及打印性能

四種顏色代表四種不同的元素，圖中顯示四種元素在整個掃描范圍內都有分布，且分布的量比較均勻，這證明了制備的復合材料中各組分均勻分布，具有良好的均勻性和統一性。在3D打印過程中能夠更順利地打印書寫，不會輕易出現堵塞針頭、停筆、線條斷裂的狀況。

PTFE/Al復合材料3D打印結構及特性

流變性能的測試為PTFE/Al復合材料的3D打印提供理論基礎，利用3D打印技術打印了多樣的復合結構。有單組份變直徑線條、多組分復合線條、單組份圓形花紋、單組份長方體結構以及軸向梯度圓柱和徑向梯度圓柱等，3D打印的各種結構都表現出了良好的成型性能。

粘結劑含量保持不變，都為10 wt%，這五種不同PTFE與Al質量比的PTFE/Al復合材料具有一樣的孔隙率，且存在的微孔孔徑大致為300 nm~600 nm，并且分布狀況較為均勻。此外，微觀結構圖中出現的一些尺寸較大的球形顆粒，這主要是原料當中存在的大粒徑Al顆粒，并不是因為納米材料的團聚而形成的大顆粒。

伴隨著PTFE與Al質量比從50:50到70:30，PTFE/Al復合材料中的PTFE含量增加，而PTFE顆粒相對于Al顆粒具有更大的尺寸，所以從微觀結構圖中也能看到復合材料表面的粗糙程度也在增加。

復合材料實驗整體流程及流變性能

CuO/Al復合材料、PTFE/Al復合材料的實驗設計制備、復合墨水流變性能的測試表征、三維結構的3D打印成型以及對三維結構表面微觀結構的測試表征。流變性能方面，CuO/Al復合油墨和PTFE/Al復合油墨的黏度都隨著剪切速率的增加而快速降低，屬于典型的非牛頓流體。

此外，兩種復合油墨在可剪切的范圍內都保持著較好的成型性能（儲能模量大于損耗模量），伴隨著剪切應力的增加出現了相對的屈服應力值，屈服應力隨著粘結劑含量的變化和組分比例的改變呈現出增大和減小的趨勢。

3D打印構建的多種三維結構

兩種復合油墨經過3D打印成功構建了多種穩定的三維結構，其中包括了CuO/Al復合材料制備的立方網格結構（10 mm×10 mm×6 mm），大約40層，每層高度為0.15mm，網格內部線條的表觀直徑也為0.15 mm；蜂窩網格（10 mm×7 mm×4 mm）、菱形網格（10 mm×7 mm×4 mm）等異形結構。另外也包含了使用PTFE/Al復合油墨構建的直徑40 mm，高度4 mm的圓形花紋結構，填充度約40%。這些三維結構體現了3D打印技術精確的特點，能夠有效快速地構建微小型含能復合結構。

差熱曲線測試原理

將待測試樣和參比物（熱惰性物質）置于同一條件的爐體中，按給定程序等速升溫或降溫，當加熱試樣在不同溫度下產生物理、化學性質的變化（如相變，結晶構造轉變，結晶作用，沸騰，升華，氣化，熔融，脫水，分解，氧化，還原……及其他反應）時，伴隨吸熱或放熱，試樣自身的溫度低于或高于參比物質的溫度，即兩者之間產生溫差。溫差的大小（反應前和反應后二者的溫差為零）和極性由熱電偶檢測，并轉換為電能，經放大器放大輸入記錄儀，記錄下的曲線即為差熱曲線。

燃燒速率測試流程及拓展

燃燒速率測試主要分為三個部分：

1. 樣品的制備：樣品制備是燃燒速率測試的基礎環節，其質量直接影響到后續測試結果的準確性和可靠性。為了保證樣品能夠順利地燃燒，需要制備出均勻的線條樣品。在制備過程中，要精確控制各種原料的比例，確保復合材料的成分均勻一致。例如，對于CuO/Al復合材料或PTFE/Al復合材料，需按照預定的質量比準確稱量CuO、Al或PTFE、Al等原料，并充分混合均勻。同時，要選擇合適的成型工藝，如擠出成型或注射成型等，將混合好的原料制成線條樣品。在成型過程中，要控制好溫度、壓力等工藝參數，以保證線條樣品的尺寸精度和表面質量。只有制備出均勻且質量良好的線條樣品，才能使火焰在傳播過程中保持穩定，確保測試結果的準確性。
2. 火焰前沿的記錄：樣品被點燃之后，火焰會以極快的速度向前傳播。為了準確獲取火焰前沿的位置信息，需要使用高速攝像機進行記錄。高速攝像機具有高幀率的特點，能夠在極短的時間內拍攝多張照片，從而捕捉到火焰傳播過程中的每一個細節。在實驗中，要將高速攝像機安裝在合適的位置，并調整好拍攝參數，如焦距、光圈、快門速度等，以確保拍攝到的圖像清晰、準確。同時，要設置好拍攝的時間間隔和拍攝時長，以便完整地記錄火焰從點燃到傳播一定距離的整個過程。通過對高速攝像機拍攝到的圖像進行分析，可以精確地確定火焰前沿在不同時刻的位置，為后續燃燒速率的計算提供準確的數據。
3. 燃燒速率的計算：利用高速攝像機記錄的火焰前沿位置和火焰傳播到這個位置耗費的時間，通過單位長度內燃燒時間長短來得到樣品的燃燒速率。具體計算方法是，首先在火焰傳播路徑上選取多個測量點，測量出相鄰測量點之間的距離，并記錄下火焰前沿到達每個測量點的時間。然后，根據公式“燃燒速率 = 距離 / 時間”，計算出火焰在相鄰測量點之間的平均燃燒速率。為了減小誤差，通常會選取多個測量段進行計算，并取平均值作為樣品的最終燃燒速率。此外，還可以對計算結果進行統計分析，評估其誤差范圍，以確保測試結果的可靠性和準確性。通過對燃燒速率的精確測量，可以深入了解復合材料的燃燒性能，為材料的設計和應用提供重要的參考依據。

上一篇：復合材料燃燒與放熱性能深度剖析
下一篇：復合油墨模量、應力與3D打印結構構建研究