3D打印技術(shù)在反應(yīng)性材料結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用為反應(yīng)性材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備提供了很好的技術(shù)支持，能夠比較簡單地實現(xiàn)正方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、類蜂巢網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印制備，并控制整體含能材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的尺寸在10 mm內(nèi)，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(jié)劑含量的調(diào)節(jié)可以使打印的線條具有相應(yīng)的柔韌性，在干燥儲存過程中不發(fā)生斷裂。

3D打印結(jié)構(gòu)收縮現(xiàn)象及原因

拍攝的照片顯示，復(fù)雜結(jié)構(gòu)頂層部分出現(xiàn)了向內(nèi)收縮的現(xiàn)象，而與基板貼合的底層沒有收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致最終形成的三維結(jié)構(gòu)展示出上層小、下層大的錐型走向。其主要原因是，出現(xiàn)收縮現(xiàn)象的三維結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料中含有相對較多的粘結(jié)劑，在干燥過程中由于溶劑的揮發(fā)導(dǎo)致粘結(jié)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(xiàn)出了收縮現(xiàn)象。另外，底層的復(fù)合材料由于基板的支撐作用，沒有特別明顯的收縮現(xiàn)象出現(xiàn)，但是收縮的趨勢仍然存在。

復(fù)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(nèi)都有分布，且分布的量比較均勻，這證明了制備的復(fù)合材料中各組分均勻分布，具有良好的均勻性和統(tǒng)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(xiàn)堵塞針頭、停筆、線條斷裂的狀況。

PTFE/Al復(fù)合材料3D打印結(jié)構(gòu)及特性

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

粘結(jié)劑含量保持不變，都為10 wt%，這五種不同PTFE與Al質(zhì)量比的PTFE/Al復(fù)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(jié)構(gòu)圖中出現(xiàn)的一些尺寸較大的球形顆粒，這主要是原料當(dāng)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(zhì)量比從50:50到70:30，PTFE/Al復(fù)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(jié)構(gòu)圖中也能看到復(fù)合材料表面的粗糙程度也在增加。

復(fù)合材料實驗整體流程及流變性能

CuO/Al復(fù)合材料、PTFE/Al復(fù)合材料的實驗設(shè)計制備、復(fù)合墨水流變性能的測試表征、三維結(jié)構(gòu)的3D打印成型以及對三維結(jié)構(gòu)表面微觀結(jié)構(gòu)的測試表征。流變性能方面，CuO/Al復(fù)合油墨和PTFE/Al復(fù)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(fù)合油墨在可剪切的范圍內(nèi)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(yīng)力的增加出現(xiàn)了相對的屈服應(yīng)力值，屈服應(yīng)力隨著粘結(jié)劑含量的變化和組分比例的改變呈現(xiàn)出增大和減小的趨勢。

3D打印構(gòu)建的多種三維結(jié)構(gòu)

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

差熱曲線測試原理

將待測試樣和參比物（熱惰性物質(zhì)）置于同一條件的爐體中，按給定程序等速升溫或降溫，當(dāng)加熱試樣在不同溫度下產(chǎn)生物理、化學(xué)性質(zhì)的變化（如相變，結(jié)晶構(gòu)造轉(zhuǎn)變，結(jié)晶作用，沸騰，升華，氣化，熔融，脫水，分解，氧化，還原……及其他反應(yīng)）時，伴隨吸熱或放熱，試樣自身的溫度低于或高于參比物質(zhì)的溫度，即兩者之間產(chǎn)生溫差。溫差的大小（反應(yīng)前和反應(yīng)后二者的溫差為零）和極性由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)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(chǔ)環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到后續(xù)測試結(jié)果的準(zhǔn)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(fù)合材料的成分均勻一致。例如，對于CuO/Al復(fù)合材料或PTFE/Al復(fù)合材料，需按照預(yù)定的質(zhì)量比準(zhǔn)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(shù)，以保證線條樣品的尺寸精度和表面質(zhì)量。只有制備出均勻且質(zhì)量良好的線條樣品，才能使火焰在傳播過程中保持穩(wěn)定，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)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(zhǔn)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(nèi)拍攝多張照片，從而捕捉到火焰?zhèn)鞑ミ^程中的每一個細節(jié)。在實驗中，要將高速攝像機安裝在合適的位置，并調(diào)整好拍攝參數(shù)，如焦距、光圈、快門速度等，以確保拍攝到的圖像清晰、準(zhǔn)確。同時，要設(shè)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(xù)燃燒速率的計算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
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?zhèn)鞑サ竭@個位置耗費的時間，通過單位長度內(nèi)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?zhèn)鞑ヂ窂缴线x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(jù)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(jié)果進行統(tǒng)計分析，評估其誤差范圍，以確保測試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過對燃燒速率的精確測量，可以深入了解復(fù)合材料的燃燒性能，為材料的設(shè)計和應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。

上一篇：復(fù)合材料燃燒與放熱性能深度剖析
下一篇：復(fù)合油墨模量、應(yīng)力與3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)建研究