【《含能油墨直写技术的研究现状的文献综述》3400字】

PAGE63含能油墨直写技术的研究现状的文献综述目前，传统的装药方法易产生孔隙，裂缝等缺陷，严重影响装药的质量和性能。此外，由于高压和静电的影响，对操作者和设备造成危险。因此，需要一种安全、有效和精确的方法作为小规模炸药的装药方式。微笔直写技术作为新兴增材制造技术的一种，已被广泛用于先进陶瓷材料[35-38]，微电极材料[39]，轻质复合材料[40]和组织工程支架[41-43]的设计和制备，以可编程方式组装材料，不仅能够以毫米、微米为单位生产量身定制的结构，还可以纳米级尺度来优化各种性能，如机械和光学性能。因此，直写技术对于微尺寸爆炸网络装药具有巨大的潜在优势[44]。陶瓷材料微电极材料轻质复合材料组织工程支架图1-1材料油墨直写示意图Figure1-1Thediagramofmaterialwithdirectinkwriting微笔直写技术[45]是美国Cesarano等人于1999年首次提出，美国国防部先进研究项目局决定继续投资4000万以促进油墨直写技术的发展，之后国内外学者对炸药油墨直写技术也开始进行研究。2005年，BrainFuchs等人[46]研究出一系列的以CL-20为主体炸药的EDF（ExplosiveDevelopmentFacility）油墨配方，最终得到性能较好的EDF-11配方，该配方的粘结剂体系是聚乙烯醇水溶液和乙基纤维素有机溶剂的溶液。实验证明EDF-11油墨配方书写性能良好，装药结构稳定，主体炸药晶型未发生改变，装药厚度为0.51mm时，临界爆轰尺寸为86μm，爆速为7150m·s-1，爆轰波可以通过90~120°的拐角继续传递。图1-2炸药油墨成型样品起爆后光学照片Figure1-2Thephotooftheexplosiveinksampleafterdetonation2007年，AmyWilson等人[47]研制出一系列用于起爆爆炸网络的油墨配方PDI（PicatinnyDevelopedInitiator），其中PDI-001是以斯蒂芬酸铅为主体炸药，乙基纤维素为粘结剂配制而成，以叠氮化铅代替斯蒂芬酸铅得到PDI-002油墨配方，将EDF-11与PDI-002以一比一比例混合后得到PDI-003油墨。结果表明，PDI-003油墨的成型样品感度低，能量输出更高。2010年Andrew等人[7]设计了纳米黑索今（RDX）为主体炸药并混合有机溶剂液化制成的含能油墨，并将其用于直写入引信的研究。结果发现，RDX油墨适用于喷墨打印体系，得到的喷墨打印图形具有较高的分辨率。但喷头移动速度低，未能制得具有一定尺寸的可用于性能测试的成型样品。另外，样品的成型厚度为500μm时，在沟槽中只能被点燃，不能被起爆。图1-3为纳米RDX油墨打印示意和效果图。图1-3纳米RDX油墨打印示意图Figure1-3ThediagramofnanoRDXinkjetprinting2013年，西南科技大学朱自强[48]设计了一种以亚微米CL-20为主体炸药，聚乙烯醇/水/乙基纤维素/异丙醇为粘结剂的炸药油墨。结果表明，该油墨书写流畅不堵塞针头，主体炸药晶型没有受到影响，装药厚度为0.54mm时，爆轰临界尺寸为0.36mm。图1-4CL-20基炸药油墨的爆轰临界尺寸测试结果Figure1-4ThediagramofcriticalsizeofdetonationforCL-20basedexplosiveink2016年，王敦举等人[44]研制出一种基于亚微米CL-20的复合油墨，以GAP和多异氰酸酯（N100）及二甲苯为粘合剂。实验结果表明，油墨直写可均匀进行，成型样品无裂纹和孔隙，但样品成型需在40℃下固化120小时，成型样品中主体炸药晶型未发生变化，测得成型样品的临界传爆尺寸为0.4×0.4mm。图1-5不同装药尺寸的传爆能力测试结果Figure1-5ComparisondetonationofCL-20basedinkwithdifferentchannelsizes2018年印度科学研究院的R.A.Chandru等人[49]采用油墨直写技术将成分（质量分数）为78%AP和22%HTPB粘结剂、增塑剂和固化剂的含能浆料制成复杂孔形网络状的高氯酸铵基固体推进剂药柱，如图1-6所示，该药柱可通过改变内孔形状和孔隙内填充物的种类与密度，进而改变推进剂药柱的能量密度。图1-63D打印的复合固体推进剂a)打印过程；b)-c)CAD模型；d)-h)复合固体推进剂Figure1-63Dprintedcompositepropellantgrainsa)3Dprintingprocess；b)-c)CADmodels；d)-h)compositepropellantgrains由图1-6可知，药柱在打印过程中，药柱整体的形状呈现出一定的保真度，对成型药柱进行测试表征，结果表明，3D打印成型的药柱的各项性能均与常规真空铸造制得药柱的相似。但工艺中存在的问题是，在无外加支撑结构时，过高的药柱出现塌陷下垂的现象，导致成型样品的精度不够，且每个药柱样品的成型固化时间较长。2018年，中北大学宋长坤[50-51]以水性聚氨酯（WPU）和EC作为粘结剂，制备了亚微米CL-20基炸药油墨并进行直写成型。通过三维数值仿真模拟油墨从针头中挤出的过程得出挤出速度与流体粘度、针头直径和施加压力的规律。同时研究了主体炸药粒度对传爆性能的影响，结果表明，炸药油墨在装药宽度为1mm的条件下，成型样品的临界厚度随主体炸药粒度减小而减小。2019年，中北大学李千兵[3]设计了一种CL-20基乳液型粘结剂体系的炸药油墨，通过正交实验得到最佳配比和工艺条件，并对油墨的直写和成型样品的性能进行了测试分析。结果表明，油墨可在基板上流畅地进行复杂图案的直写，临界传爆厚度为11μm（装药宽度为1.0mm），爆速为7634m·s-1，成型样品起爆后可以通过连续多个90°拐角并成功起爆后续装药，最大拐角140°下仍能传爆，表现出了良好的传爆能力，在MEMS传爆序列和爆炸网络应用中具有良好的前景。图1-7连续90°和传爆拐角的爆轰测试Figure1-7Thedetonationtestofmultiple90°cornersandcornerturningability2019年，中北大学的叶宝云等人[52]成功使用水性聚氨酯（WPU）和乙基纤维素（EC）作双组分粘合剂来制备CL-20的复合油墨。通过调整粘结剂的比例可控制油墨的流变性能，无水乙醇用来溶解聚合物以控制油墨的粘度，从而油墨通过直写可以实现传统方法无法实现的3D结构。实验结果表明油墨具有适当的剪切稀化行为，使其可以沉积到基材上，测得爆轰临界尺寸为69μm。图1-8三维结构和临界爆轰尺寸测试Figure1-8Thediagramof3Dstructureandthecriticaldetonationtest由于纳米金属颗粒与粘结剂混合后粘度较高，使纳米金属燃料的制造受到一定的限制，难以获得高能量密度的燃料。2019年，美国加利福尼亚大学王海洋等人[53]设计一种90%固含量的直写型纳米铝热剂，以聚偏氟乙烯（PVDF）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为混合粘结剂，其中前者用作高能引发剂和粘合剂，后者作增稠剂。研究发现，直写得到得药线实际密度较高，燃烧速率、火焰温度和热通量可通过改变燃料/氧化剂的比例来轻松调节，平均火焰温度约2800K，样品几乎完全燃烧。图1-9纳米铝热剂油墨直写堆积直线（a）和UMD图案照片（b）；堆积直线的应变曲线图（c）；堆积直线横截面在低放大倍数（d）和高放大倍数（f）的SEM图及EDS图（e）Figure1-9Photosofprintedburnsticks(a)andUMDpattern(b),stress-straincurvesofprintedburnsticks(c),typicalSEMimageswithlow(d)andhighermagnification(f),EDSresultsofthecross-sectionalsticks(15layers)(e)2019年，McClain等人[54]开发了一种新的增材制造直写系统用于打印固含量为85%的高氯酸铵（AP）复合推进剂，并使用端羟基聚丁二烯(HTPB)和紫外光（UV）固化聚氨酯粘合剂。结果表明，打印过程本身不会对推进剂性能产生负面影响。使用HTPB和UV粘结剂可获得具有复杂的几何形状和优异微观结构的成型样品，且紫外光固化的速度快，可以使推进剂油墨在打印过程中进行固化，为制造具有几何和空间梯度的推进剂开辟了一个有效的研究途径。2020年，中北大学郭浩[55]以CL-20为主体炸药，2官脂肪族聚氨酯丙烯酸树脂为光固化粘结剂，设计了一种适用于直写工艺且快速成型的光固化炸药油墨。结果表明，油墨具有优异的直写固化成型性能，热稳定性、撞击感度和摩擦感度等均有提高，临界传爆厚度为0.078mm，成型样品爆速为7357m·s-1（装药密度1.6745g·cm-3），在微尺寸装药条件下，展现出良好的爆轰性能。图1-10起爆能力测试实验前后装药基板和鉴定块的光学照片（主装药柱为PBXN-5）Figure1-10Pictureofthechargesubstrateandidentificationblockafterdetonationintheinitiatingcapacitytest(PBXN-5grain)参考文献[1] 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