將增材制造技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合固體推進(jìn)劑制造領(lǐng)域

復(fù)合固體火箭推進(jìn)劑廣泛用于各種戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、火箭和助推器等設(shè)備，具有密度大、比沖高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合固體推進(jìn)劑燃燒過程中，燃面的大小取決于藥柱端口的幾何形狀。傳統(tǒng)的推進(jìn)劑澆注制造工藝使用芯軸來制造藥柱端口，因此，端口形狀受限于芯軸的幾何結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀端口的成型，從而限制了推進(jìn)動力性能的可控性和靈活性。

增材制造又稱“3D打印”，是指在計(jì)算機(jī)程序控制下連續(xù)形成材料層以創(chuàng)建物理對象而生成三維物體的過程。通過將增材制造技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合固體推進(jìn)劑制造領(lǐng)域，可有效突破傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀端口成型的瓶頸，并降低新型固體推進(jìn)劑的開發(fā)成本。紫外光（UV）固化是增材制造技術(shù)中常用的輔助成型方法，具有成型較快、打印穩(wěn)定、表面粗糙度低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，同時可解決流動性材料的低溫打印成型等問題，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最為廣泛的增材制造技術(shù)之一。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自東南大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員于《含能材料》期刊發(fā)表論文，提出了通過在傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑中加入部分UV固化樹脂的方法實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑樣品的打印，并通過一體化增材制造的方式在推進(jìn)劑樣品內(nèi)部成功植入電阻式溫度傳感器。研究通過檢測傳感器電阻隨推進(jìn)劑樣品溫度的變化規(guī)律驗(yàn)證了其溫度監(jiān)測能力。研究結(jié)果可為復(fù)合固體推進(jìn)劑的增材制造及其服役期間智能化健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提供參考。

該研究采用自研擠出式3D打印平臺（圖1）分別打印含或不含溫度傳感器的推進(jìn)劑樣品。對于不含溫度傳感器的樣品，樣品外形及尺寸如圖2實(shí)線部分所示。對于含有溫度傳感器的樣品，其溫度傳感器材料為導(dǎo)電銀膠，樣式為直線型，兩端各有一個矩形接線端子，植入位置為打印推進(jìn)劑樣品中心沿水平方向，如圖2虛線部分所示。

圖1 擠出式3D打印平臺示意圖

圖2 打印推進(jìn)劑樣品外形、尺寸及溫度傳感器植入位置

為提升打印效果，研究人員對基于光固化成型的復(fù)合固體推進(jìn)劑打印配方及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測試和優(yōu)化。

首先，對于UV固化樹脂含量，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)推進(jìn)劑漿料固含量為83%時，配方中UV固化樹脂添加量不低于3%時即可得到較好的預(yù)固化性能。綜合考慮打印質(zhì)量、能量密度和擠出過程安全性，最終選擇固含量為81%的漿料配方進(jìn)行推進(jìn)劑樣品打印，得到的打印推進(jìn)劑樣品成型較好，未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)坍塌或變形，驗(yàn)證了基于光固化成型的增材制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合固體推進(jìn)劑制造領(lǐng)域的可行性。

圖3 漿料預(yù)固化效果圖：（a）按壓玻璃棒；（b）抬起玻璃棒

其次，研究人員對打印推進(jìn)劑樣品的拉伸性能進(jìn)行了分析。測試結(jié)果表明，20℃時樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為0.94 MPa和15.63%；60℃時則分別為0.70 MPa和14.63%。與傳統(tǒng)澆注制造的復(fù)合固體推進(jìn)劑相比，20℃時樣品的拉伸強(qiáng)度增大23.7%，但斷裂伸長率減小57%。此外，樣品孔隙在打印層之間呈片狀結(jié)構(gòu)，紋理按水平分布，與傳統(tǒng)澆注推進(jìn)劑相比，孔隙數(shù)量明顯減少且未形成球形孔隙，但單個孔隙體積增大。

圖4 打印推進(jìn)劑樣品拉伸應(yīng)力‐應(yīng)變曲線

隨后，鑒于溫度傳感器材料與推進(jìn)劑間的結(jié)合強(qiáng)度對于傳感器的功能及植入傳感器后推進(jìn)劑的力學(xué)性能有一定影響，因此采用拉開法對溫度傳感器材料與推進(jìn)劑間的結(jié)合力進(jìn)行了測試。結(jié)合力測試結(jié)果表明，溫度傳感器材料與推進(jìn)劑之間的結(jié)合強(qiáng)度為0.21 MPa，結(jié)合效果良好。

圖5 傳感器材料與推進(jìn)劑結(jié)合力測試曲線

最后，利用制造的含溫度傳感器的樣品，研究了其電阻隨推進(jìn)劑樣品溫度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，溫度傳感器的電阻與溫度基本呈線性關(guān)系（擬合函數(shù)為：RT = 5.19 × 10?3 T + m），表明該電阻式溫度傳感器具備良好的溫度監(jiān)測能力。綜上所述，該研究證明了復(fù)合固體推進(jìn)劑與電阻式溫度傳感器一體化增材制造的可行性，為實(shí)現(xiàn)增材制造固體推進(jìn)劑服役期間的智能化健康監(jiān)測提供了一種技術(shù)途徑。

審核編輯：郭婷