【摘 要】
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纳米铝粉作为最常见的活性金属燃料,因为其高反应活性除了被广泛应用在纳米铝热剂中外,还被应用在推进剂、火炸药等复合含能材料配方中用以提高推进、毁伤能力。然而,纳米铝粉在生产、储存以及使用中因为表面的惰性氧化铝外壳和纳米粒子的团聚作用,使得纳米铝粉的反应活性和安全性受到限制。受益于3D打印技术的发展,将纳米铝粉用于制备含氟铝热剂墨水可以有效降低纳米铝粉的团聚现象,也提升了纳米铝粉的安全性,氟聚物因为独
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纳米铝粉作为最常见的活性金属燃料,因为其高反应活性除了被广泛应用在纳米铝热剂中外,还被应用在推进剂、火炸药等复合含能材料配方中用以提高推进、毁伤能力。然而,纳米铝粉在生产、储存以及使用中因为表面的惰性氧化铝外壳和纳米粒子的团聚作用,使得纳米铝粉的反应活性和安全性受到限制。受益于3D打印技术的发展,将纳米铝粉用于制备含氟铝热剂墨水可以有效降低纳米铝粉的团聚现象,也提升了纳米铝粉的安全性,氟聚物因为独特的分子特性可以加强铝热剂墨水的力学性能,同时,研究表明,氟聚物还可以与表面氧化铝反应并且促进铝与氟聚物的反应。本研究制备了适配3D打印流变特性的聚四氟乙烯（PTFE）基铝热剂墨水,研究了Al/PTFE/F2311墨水配方的热分解性能、燃烧性能以及成分配比的影响因素。并且在此基础上,打印了多种复合结构,发现不同结构的线条具有独特燃烧特性。之后,用两种制备方式获得了聚偏氟乙烯基（PVDF）铝热剂墨水,对性能进行了研究。具体研究内容如下:（1）通过调整氟橡胶的含量（10-20 wt.%）,获得了可以均匀稳定沉积的Al/PTFE墨水,以直写的方式获得了定制的结构。使用不同Al/PTFE墨水配方打印了具有不同直径的线条,使用高速摄影仪记录了完整燃烧过程,不同直径和配方的线条表现出极强的燃烧稳定性,这有利于墨水在实际应用中的进行性能调控。减少氟橡胶含量可以在降低力学性能的前提下将燃烧速度从最低的2.09 cm/s提高至4.9 cm/s;增加铝粉的含量可以在降低总反应量的前提下将燃烧速度从最低的2 cm/s左右提高至10 cm/s。（2）使用特制双层和三层的针头通过改变针头出样的方式来改变墨水直写的基础结构,使用Al/PTFE、Al/Cu O和碳纤维/Si O2墨水以不同打印方式获得了Al/PTFE空心结构线条、Al/PTFE@Al/Cu O核壳结构线条以及碳纤维/Si O2@Al/PTFE的限域空心结构线条,不同结构的线条具有各自特殊的结构特性,结构改变性能,从而影响了燃烧性能。结构的调整对于燃烧性能产生了有利的影响,相比于实心线条,空心结构具有更大的燃烧面积,核壳结构可以在内部使用燃烧速度更快的材料,而限域空心结构可以实现能量的集中,这三种结构都以不同的方式来提高燃烧速度,其中限域空心结构具有最高的燃烧速度,在恒容燃烧下具有最高的峰值压力和增压速度;在使用Fe2O3作为限域空心结构内部的铝热剂墨水材料时,燃速最高能提升至29.44 cm/s;其次,限域结构由于外壳材料可自由选择,使得这种结构适应性强,容易满足在复杂情况的应用。（3）使用20 wt.%含量氟橡胶作为粘结剂,获得了可以均匀稳定沉积的Al/PVDF墨水,氟橡胶低于15 wt.%时打印的结构均会有裂纹产生,力学性能较差,不易打印复杂结构。使用了不同Al/PVDF墨水配方打印了直径为0.84 mm的线条,使用高速摄影仪记录了完整燃烧过程,与Al/PTFE类似,均表现出稳定燃烧的特性,减少氟橡胶含量可以在降低力学性能的前提下将燃烧速度从最低的0.93 cm/s提高至4.32 cm/s;增加铝粉的含量可以在降低总反应量的前提下将燃烧速度从最低的2.44 cm/s左右提高至6.33 cm/s。与Al/PTFE墨水相比,此配方力学性能与燃烧性能更弱,但是鉴于PVDF化学性质更为灵活,此配方的改良空间更大进而实现不同场景的灵活应用。
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