王 偉，唐 敏，付曉夢(mèng)，史 鈺，徐國(guó)舒，李春濤，王 芳，李 偉

(1.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽(yáng) 441003；2.航天動(dòng)力技術(shù)研究院，西安 710025)

0 引言

復(fù)合固體推進(jìn)劑廣泛用作火箭、導(dǎo)彈和空間飛行器中固體發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，占發(fā)動(dòng)機(jī)90%以上的體積和質(zhì)量，其性能優(yōu)劣直接影響著固體動(dòng)力系統(tǒng)的效能、突防和機(jī)動(dòng)能力[1]。傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑通過(guò)立式混合機(jī)在宏觀層次實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑的均勻混合，經(jīng)過(guò)澆注、固化、脫模、整形工序形成形式各異的推進(jìn)劑藥柱。隨著武器裝備的不斷發(fā)展和迭代，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)及藥柱性能提出精細(xì)化控制的要求，現(xiàn)有推進(jìn)劑制造工藝逐步顯示出以下三方面不足：

(1)制備的推進(jìn)劑藥柱性能單一，不能按需調(diào)控燃速，能量管理難度大；

(2)裝藥工藝生產(chǎn)過(guò)程不透明，藥柱結(jié)構(gòu)受芯模結(jié)構(gòu)及脫模要求制約；

(3)制造過(guò)程的串行工序復(fù)雜，裝藥生產(chǎn)周期長(zhǎng)，脫模及整形工序危險(xiǎn)性高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活柔性制造。

增材制造技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)高固含量、復(fù)雜藥型、梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱制備。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，使同一地點(diǎn)連續(xù)快速的一體化裝藥成為可能，有望打破武器裝備設(shè)計(jì)-生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式，為解決上述問(wèn)題提供技術(shù)途徑[2]。根據(jù)成型特點(diǎn)，增材制造技術(shù)可分為材料擠出、粘結(jié)劑注射、光聚合固化技術(shù)、材料噴射、粉末床熔合、薄片層疊和指向性能量沉積技術(shù)七類(lèi)[3-4]。在美國(guó)的帶動(dòng)下，近些年英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家或組織積極開(kāi)展了3D打印技術(shù)在含能材料領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[5-6]，已取得階段性成果，證明了火炸藥、發(fā)射藥、推進(jìn)劑及煙火劑含能材料增材制造的可行性。但因含能材料具有高能量密度、瞬間功率大和亞穩(wěn)定特性，易燃易爆，加工處理和安全性控制難度較高，在增材制造用含能材料篩選、含能材料制造快速成型和含能材料制造系統(tǒng)集成三方面均有待深入研究[7]。

作為一種含能材料，復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)也受到廣泛關(guān)注，但傳統(tǒng)熱固型復(fù)合固體推進(jìn)劑的流變特性同時(shí)受組成、溫度、時(shí)間因素的影響，存在與增材制造工藝要求不匹配無(wú)法直接成型的問(wèn)題，其國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)研究也相對(duì)有限[8-10]。本文綜述了增材制造技術(shù)在復(fù)合固體推進(jìn)劑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹當(dāng)前適用于增材制造的復(fù)合固體推進(jìn)劑特性及優(yōu)缺點(diǎn)，并提出增材制造在復(fù)合固體推進(jìn)劑領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和建議，希望可以推動(dòng)固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)發(fā)展，繼而為武器裝備顛覆性發(fā)展提供技術(shù)牽引。

1 基于物理固化成型的熱塑性固體推進(jìn)劑

熔融沉積成型技術(shù)(FDM)增材制造工藝具有材料利用率高，工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適用于具備加熱熔融-冷卻成型類(lèi)耗料的增材制造[11]。熱塑性固體推進(jìn)劑依靠高分子結(jié)晶實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑成型，在升溫時(shí)，聚烯烴/聚苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯、聚酯等固態(tài)熱塑性彈性體為粘流態(tài)，可與固體填料進(jìn)行混合、澆注，隨溫度降低混合漿料實(shí)現(xiàn)物理固化成型。熱塑性固體推進(jìn)劑不受固化反應(yīng)限制，具備重回收、重循環(huán)和重利用的3R特性，契合FDM增材制造工藝的要求。經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，熱塑性彈性體及其推進(jìn)劑綜合性能水平雖然不斷提高，但其加工溫度高、力學(xué)性能差等技術(shù)瓶頸仍未能徹底突破，推進(jìn)劑應(yīng)用范圍也相對(duì)有限[12]。

Michael Creech等[13-14]利用固體石蠟的熱塑性原理，將絲狀進(jìn)料裝置改造為熱擠壓注塑式進(jìn)料裝置，首次打印出外徑為φ2 in，內(nèi)徑0.75 in，長(zhǎng)9 in的石蠟基推進(jìn)劑藥柱，并成功進(jìn)行了燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)，證明了推進(jìn)劑增材制造的可能性，所采用的增材制造設(shè)備及制備的藥柱見(jiàn)圖1。通過(guò)增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了含10%三乙基鋁、含10%二異丁基氫化鋁以及含20% LiAlH 等一系列推進(jìn)劑藥柱制備，對(duì)石蠟基混合火箭燃料進(jìn)行了系列測(cè)試研究。美國(guó)NASA也開(kāi)展了固體推進(jìn)劑的打印制造成型技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑藥柱的增材制造。

圖1 增材制造石蠟基推進(jìn)劑設(shè)備及藥柱[13]Fig.1 Additive manufacturing equipment and pillars [13]

藺向陽(yáng)等[15]從添加溶劑輔助角度出發(fā)，降低熱塑性固體推進(jìn)劑藥漿粘度并實(shí)現(xiàn)其增材制造。推進(jìn)劑配方以聚氨酯彈性體、疊氮縮水甘油聚醚、醋酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、硝化纖維素為粘合劑，以0～80%的高氯酸銨、黑索今、奧克托金、FOX-7、CL-20、TKX-50、二硝酰胺銨鹽、硝仿肼、鋁粉、鎂鋁合金粉為固體填料，以甲醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、四氫呋喃作為溶劑。熱塑性推進(jìn)劑漿料經(jīng)過(guò)預(yù)成型機(jī)擠壓成料條再采用螺桿式喂料器輸送到成型裝置，在成型過(guò)程中，溶劑通過(guò)熱風(fēng)帶走而形成密實(shí)的藥柱。

王偉等[16-17]開(kāi)展低熔點(diǎn)熱塑性推進(jìn)劑研究，以熱塑性粘合劑RS為連續(xù)相，鋁粉和高氯酸銨為固體填料，實(shí)現(xiàn)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的巧克力型推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)與制備，該推進(jìn)劑可在90 ℃以下實(shí)現(xiàn)熔融成型，具備可調(diào)節(jié)的黏度、優(yōu)良的安全性能和可觀的能量潛力，可用于固體推進(jìn)劑增材制造工藝研究。同時(shí)，還公開(kāi)了一種以乙烯-乙酸乙烯共聚物為粘合劑的熱塑性固體推進(jìn)劑，制備的標(biāo)準(zhǔn)料條采用螺桿式喂料器輸送到螺桿式擠出成型裝置，利用熔融沉積成型90 ℃以下實(shí)現(xiàn)系列固含量80%的塑性固體推進(jìn)劑增材制造。

樊黎霞團(tuán)隊(duì)[18-19]基于傳統(tǒng)FDM 成型機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了適用于含能漿料增材制造的氣壓式噴頭系統(tǒng)，由氣壓驅(qū)動(dòng)模塊、擠出模塊、溫控和加熱模塊組成，料筒直徑為40 mm，柱塞可活動(dòng)距離為100 mm，一次性打印的材料最大體積為125.6 cm3，可直接對(duì)顆粒狀、塊狀不規(guī)則形狀的含能材料進(jìn)行擠出成型，省去了傳統(tǒng)FDM成型機(jī)原材料絲材制作工序，設(shè)計(jì)的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置操作簡(jiǎn)單適用性高，法蘭連接方式方便拆卸并清洗料筒，有效地防止含能材料原材料之間的污染，為熱塑性固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)發(fā)展提供助力。

2 基于化學(xué)固化成型的固體推進(jìn)劑

2.1 光固化固體推進(jìn)劑

光固化成型是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型工藝，用于光固化成型的材料被稱(chēng)為液態(tài)光敏樹(shù)脂，以丙烯酸類(lèi)光固化樹(shù)脂以及聚氨酯丙烯酸類(lèi)光固化樹(shù)脂為主[20]。在光引發(fā)條件下，光敏樹(shù)脂、反應(yīng)性稀釋劑和光引發(fā)劑體系發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，繼而實(shí)現(xiàn)固化成型。為適應(yīng)光固化成型工藝，研究人員對(duì)固體推進(jìn)劑粘合劑體系進(jìn)行替換或引入光敏基團(tuán)，并從稀釋劑及光引發(fā)劑篩選、固化參數(shù)和工藝參數(shù)調(diào)節(jié)等角度，開(kāi)展了光固化固體推進(jìn)劑設(shè)計(jì)及其代料的增材制造，但整體仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

Lingen M S等[21]選擇光固化樹(shù)脂/含能固體組分的固體推進(jìn)劑，采用注射式擠出噴頭實(shí)現(xiàn)藥漿擠出，并在噴頭處設(shè)置了一個(gè)紫外光源，擠出物料在紫外光源下可迅速固化，避免物料的流延。為降低了打印漿料與噴嘴壁的摩擦，實(shí)現(xiàn)高粘度打印漿料的流量與流速精確控制，美國(guó)普渡大學(xué)改進(jìn)了擠出噴頭，在噴頭處增加了高振幅超聲振動(dòng)發(fā)生器，振動(dòng)探針能夠在噴嘴附近產(chǎn)生振幅為 1～200 μm 的超聲振動(dòng)，100 ℃以下打印產(chǎn)品的孔隙率低于10%。含85%高氯酸鉀(AP)的HTPB和光固化聚氨酯粘合劑的兩種高固含量、高粘度(>1000 Pa·s)復(fù)合推進(jìn)劑配方均成功實(shí)現(xiàn)增材制造，打印完的 HTPB基推進(jìn)劑制件置于 60 ℃烘箱內(nèi)固化3 d，而紫外光固化聚氨酯推進(jìn)劑則在紫外光下放置30 min進(jìn)行固化。3D打印藥柱內(nèi)部孔洞比傳統(tǒng)澆鑄法所得藥柱的孔洞少，紫外光固化聚氨酯推進(jìn)劑內(nèi)部孔洞比HTPB推進(jìn)劑少。后續(xù)燃燒測(cè)試結(jié)果顯示打印藥柱與澆鑄藥柱的燃速非常接近，且紫外光固化聚氨酯藥柱的燃速低于HTPB藥柱燃速[22-23]。

Brown[24]選用聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯光敏樹(shù)脂(PEGDA，相對(duì)分子質(zhì)量約575，分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2)為推進(jìn)劑粘合劑，通過(guò)雙?；趸?BAPO)引發(fā)雙鍵的，產(chǎn)生雙鍵自由基，雙鍵自由基與其他雙鍵反應(yīng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑固化。其中，PEGDA 20%、BAPO 0.7%、AP 64.3%及Al 15%的光固化固體推進(jìn)劑成功通過(guò)增材制造工藝驗(yàn)證。

圖2 PEGDA結(jié)構(gòu)式[24]Fig.2 PEGDA molecular structure[24]

McClain等[25]以聚丁二烯丙烯酸聚氨酯/己二醇二丙烯酸酯(HDDA)/雙?；⒀趸?BAPO)作為光敏粘合劑體系，Al含量為0～20%，固含量85%的光固化推進(jìn)劑配方進(jìn)行增材制造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同光強(qiáng)度、Al含量、波長(zhǎng)對(duì)紫外光固化深度的影響，隨著Al含量增加，固化深度降低。在較高的光強(qiáng)度下，20%Al含量的推進(jìn)劑固化深度為1～2 mm，遠(yuǎn)大于打印層厚度(0.25 mm左右)。對(duì)15%Al含量推進(jìn)劑，以逐層固化的方法打印后，層與層之間的界面不明顯。低強(qiáng)度下，波長(zhǎng)對(duì)固化深度影響不顯著；高強(qiáng)度下，波長(zhǎng)與強(qiáng)度對(duì)固化深度的影響不是相互獨(dú)立的，其中強(qiáng)度占主導(dǎo)地位。研究顯示，一定范圍組成的推進(jìn)劑增材制造過(guò)程不需要使用高能量紫外光源，基本解決了推進(jìn)劑藥漿透光性差所導(dǎo)致的固化不完全問(wèn)題。

Elliot等[26]研究了光敏樹(shù)脂/鋁光固化固體推進(jìn)劑，并設(shè)計(jì)了Nobel 型SLA打印機(jī)，將鋁粒子與光敏樹(shù)脂在進(jìn)給泵的副儲(chǔ)備箱內(nèi)均勻混合，以確保顆粒在一段時(shí)間內(nèi)保持懸浮，利用該設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)未加入鋁顆粒和加入鋁顆粒的螺旋星型藥柱增材制造。圖3為含90%光敏樹(shù)脂及10%的30 μm的球型鋁的螺旋星型藥柱實(shí)物，聚合物質(zhì)地清晰且均勻。

圖 3 應(yīng)用 SLA 制造的含鋁螺旋星型裝藥[26]Fig.3 Methacrylate photopolymer with 10% aluminumparticles SLA propellant cartridge[26]

岳婷[27]采用自制齊聚異戊二烯雙鋰引發(fā)劑，合成雙端活性聚丁二烯液體橡膠，通過(guò)封端改性制備出鏈端及鏈中都具有碳-碳雙鍵結(jié)構(gòu)的橡膠，具備紫外光固化特性。研究顯示，以丙烯酸酯類(lèi)活性單體為活性稀釋劑，651為光引發(fā)劑，光照30 s內(nèi)封端改性聚丁二烯液體橡膠鏈端丙烯酸酯基碳-碳雙鍵轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，乙烯基碳-碳雙鍵轉(zhuǎn)化率達(dá)50%及以上。紫外固化的粘合劑膠片呈現(xiàn)彈性體性質(zhì)，拉伸強(qiáng)度5.91～12.88 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率223%～523%。

張亮等[28]將光固化劑與Al粉混合成推進(jìn)劑代料藥漿模擬HTPB體系，采用活塞擠出式技術(shù)進(jìn)行了3D打印試驗(yàn)，論證了推進(jìn)劑藥柱3D打印的可行性。藺向陽(yáng)等[29]通過(guò)將紫外光輸送至噴頭處實(shí)現(xiàn)了擠出固體推進(jìn)劑藥漿的連續(xù)固化，得到藥柱后再放入保溫箱中進(jìn)一步固化。選用了不同的光敏樹(shù)脂(環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、丙烯酸樹(shù)脂)作為輔助粘合劑與主粘合劑(HTPB、聚醚、疊氮縮水甘油聚醚)復(fù)合使用，制備出了力學(xué)性能較好的樣品，固含量最高可以達(dá)到85%?？梢酝ㄟ^(guò)紫外光固化技術(shù)在較低溫度、壓力下開(kāi)展熱固型推進(jìn)劑的3D打印成型。此外，他們還公開(kāi)了兩種固體推進(jìn)劑的增材制造方法[30-31]。所制得推進(jìn)劑相對(duì)密度(樣品密度與理論密度的比值)大于96.5%，拉伸強(qiáng)度大于1.5 MPa。

張婷婷等[32]公布了一種光固化固體推進(jìn)劑漿料及其制備方法，其含能光敏樹(shù)脂體系包括含能光敏樹(shù)脂預(yù)聚體60%～80%、光敏樹(shù)脂活性稀釋劑10%～30%、光引發(fā)劑1%～6%、助劑1%～5%、氧化劑57%～68%和金屬燃燒劑13%～18%。光固化固體推進(jìn)劑漿料通過(guò)立體光固化3D打印成型技術(shù)可制備出尺寸精度高、致密度高、力學(xué)性能好的固體推進(jìn)劑制品。

崔敏[33]運(yùn)用聚酯PBA、IPDI、BDO、HEA原料合成了UV固化PUA，將PUA樹(shù)脂與代料按照25∶75混合制備出推進(jìn)劑代料藥漿，代料藥漿固化物具有δ≥0.53 MPa，ε≥85%的力學(xué)性能，固化速度30 s，固化收縮率5.12%，并初步實(shí)現(xiàn)了固含量75%代料藥漿的3D打印、固化。

2.2 熱固化固體推進(jìn)劑

熱固化固體推進(jìn)劑在武器型號(hào)中廣泛應(yīng)用，一般采用含有羥基、羧基、炔基等活性基團(tuán)的液體高分子預(yù)聚物作為粘合劑。在加熱和催化劑輔助條件下，粘合劑內(nèi)的羥基、羧基、炔基等活性基團(tuán)會(huì)與含異氰酸酯、環(huán)氧、疊氮等活性基團(tuán)的固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固化成型[1]。但為保證推進(jìn)劑藥柱裝填效果，熱固化固體推進(jìn)劑藥漿要求具備3～5 h適用期，其固化成型周期長(zhǎng)，無(wú)法適應(yīng)增材制造快速成型的工藝要求，需通過(guò)配方再設(shè)計(jì)或增材制造設(shè)備精確控制進(jìn)一步提升熱固化固體推進(jìn)劑快速成型的可控性。

Chandru等[34]通過(guò)增大固化劑用量實(shí)現(xiàn)熱固化固體推進(jìn)劑快速成型，選取了高氯酸銨/鋁粉(質(zhì)量比為78∶22)，己二酸二辛脂增塑劑/異氟爾酮二異氰酸酯固化劑/端羥基聚丁二烯粘合劑(質(zhì)量比為10∶10∶80)，三氧化二鐵為燃燒催化劑的推進(jìn)劑，通過(guò)以步進(jìn)電機(jī)控制的活塞-氣缸結(jié)構(gòu)和絲杠組裝的擠壓式3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同堆積密度三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱的增材制造，藥柱需要在60 ℃下固化 7 d 成型。10 cm以下的裝藥無(wú)需任何支撐結(jié)構(gòu)，按照原型設(shè)計(jì)打印生成，固化后藥塊在密度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量力學(xué)性能接近澆注裝藥。采用石蠟?zāi)ぐ菜帡l的側(cè)面，用未固化HTPB涂覆實(shí)現(xiàn)藥柱端面燃燒，不同堆積密度藥柱實(shí)物及燃燒性能如圖5所示。后續(xù)通過(guò)依次打印不同能量密度的推進(jìn)劑漿料，或調(diào)整孔隙內(nèi)填充物的種類(lèi)和密度，可使固體推進(jìn)劑藥柱能量沿軸向遞變，實(shí)現(xiàn)燃速可控或燃速漸變。

王偉等[35]通過(guò)添加溫敏添加劑實(shí)現(xiàn)熱固化固體推進(jìn)劑的快速成型，通過(guò)溫敏添加劑種類(lèi)及含量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)HTPB/增塑劑/溫敏添加劑連續(xù)相20～40 ℃范圍內(nèi)粘度控制，在不影響藥漿適用期的前提下，使溫敏時(shí)變固體推進(jìn)劑具備20～40 ℃范圍藥漿粘度560～1656 Pa·s可調(diào)，40 ℃以下室溫定型的特性，采用擠出工藝實(shí)現(xiàn)固含量80%推進(jìn)劑藥柱的3D打印成型。此外，王偉等[36]研究了基于熱敏性固化催化劑的熱固化固體推進(jìn)劑，通過(guò)熱敏性固化催化劑控制粘合劑和固化劑在不斷溫度范圍、不同增材制造環(huán)境的固化反應(yīng)速率，繼而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑藥柱增材制造。

為了降低增材制造對(duì)配方快速可控成型的難度，Summers等[37]通過(guò)優(yōu)化增材制造設(shè)備與工藝流程實(shí)現(xiàn)熱固化固體推進(jìn)劑的可控成型，通過(guò)多組加熱器分步加熱的方式實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑藥漿的部分固化和固化成形，通過(guò)多組混合器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑藥漿的均勻混合，和燃速改良劑、固化催化劑、抗氧化劑小組分的二次添加。同時(shí)可以根據(jù)需要選用合適的噴嘴、預(yù)固化程度、漿料流速、打印速度，有利于縮短制備時(shí)間，提高制備安全性。在其擠出過(guò)程中可以選用不同尺寸(直徑 0.3～0.7 mm)、不同形狀的噴嘴，通過(guò)調(diào)整噴嘴尺寸與形狀，可以控制擠出材料的流速。例如，車(chē)輪形擠出器可以沿著軸心旋轉(zhuǎn)，研究人員可以根據(jù)推進(jìn)劑類(lèi)型和應(yīng)用需求選用不同的擠出噴嘴。

3 其他基于增材制造技術(shù)的新概念推進(jìn)劑

增材制造技術(shù)為新概念推進(jìn)劑的出現(xiàn)提供契機(jī)，有望顛覆傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式。美國(guó)Rocket Crafters公司提出了3D打印火箭燃料的概念，采用增材制造技術(shù)制備一種可同時(shí)充當(dāng)火箭的固體燃料源和燃燒室的管狀結(jié)構(gòu)的燃料顆粒，在每個(gè)推進(jìn)劑顆粒外包覆熔合層，最后將不同直徑的推進(jìn)劑顆粒緊密排列，形成如圖6所示中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)的新型固體動(dòng)力。該技術(shù)生產(chǎn)的燃料顆粒在讓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以一個(gè)加快的速度消耗高能固體燃料混合物的同時(shí)，還能提供使振動(dòng)最小化所需要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[38-39]。

圖6 3D打印燃料及預(yù)計(jì)應(yīng)用模式的示意圖[39]Fig.6 Schematic representation of 3D printing fuel and projected application patterns[39]

Armold等[40]采用增材制造的方法制備了具有復(fù)雜螺旋狀內(nèi)腔的固體藥柱(見(jiàn)圖7)，探究了增材制造技術(shù)在固-液混合發(fā)動(dòng)機(jī)的固體藥柱成型中的應(yīng)用的可行性，在固-液混合發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥時(shí)固體藥柱中僅存在金屬還原劑，打印工藝安全性高。增材制造的應(yīng)用可提升藥柱燃面退移速率，提高燃燒效率。

圖7 固-液混合發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)雜螺旋狀內(nèi)腔的固體藥柱[40]Fig.7 Solid pillar with complex spiral inner cavityfor solid-liquid hybrid engines [40]

4 增材制造用復(fù)合固體推進(jìn)劑發(fā)展趨勢(shì)

隨著復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造成型材料、設(shè)備及其配套技術(shù)日漸成熟，正逐步進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。一方面，通過(guò)推進(jìn)劑藥柱復(fù)雜藥形和微觀性能梯度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)固體推進(jìn)劑的精細(xì)化制造，有助于復(fù)雜藥型結(jié)構(gòu)能量遞變推進(jìn)劑和高固體組分含量推進(jìn)劑的制備，滿(mǎn)足彈藥對(duì)可控推進(jìn)的軍事應(yīng)用需求。另一方面，固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)可推動(dòng)推進(jìn)劑制造工藝升級(jí)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑、包覆層甚至發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的一體化打印，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、一體化、柔性化與集成化制造，縮短武器彈藥生產(chǎn)周期，促使武器裝備更加快速地更新?lián)Q代。此外，電控可熄火固體推進(jìn)劑、可自修復(fù)固體推進(jìn)劑、智能監(jiān)測(cè)固體推進(jìn)劑等特種功能推進(jìn)劑技術(shù)的發(fā)展，為推動(dòng)固體推進(jìn)劑4D增材制造發(fā)展提供契機(jī)，新的固體推進(jìn)劑設(shè)計(jì)理念將為未來(lái)新概念發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展提供材料支撐[41]。

在固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，適用于增材制造工藝、具備實(shí)用價(jià)值的復(fù)合固體推進(jìn)劑必不可少，美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、印度等國(guó)正大力開(kāi)展適于增材制造的推進(jìn)劑配方開(kāi)發(fā)與性能優(yōu)化研究。當(dāng)前，熱塑性推進(jìn)劑熔融沉積增材制造的制造路線(xiàn)表現(xiàn)出工藝簡(jiǎn)單、易實(shí)施、可行性強(qiáng)的特點(diǎn)。但絕大多數(shù)現(xiàn)有熱塑性推進(jìn)劑配方在增材制造過(guò)程中存在打印溫度高、熔融藥漿流動(dòng)性差、擠出動(dòng)力要求高等問(wèn)題，需要添加溶劑、施加輔助動(dòng)力等方式提升打印效率，對(duì)打印機(jī)擠出噴頭處溫度控制也提出較高要求，不利于產(chǎn)品后續(xù)推廣應(yīng)用。研發(fā)具有相對(duì)較低的加工溫度，更適應(yīng)熔融沉積增材制造工藝的熱塑性推進(jìn)劑配方是值得關(guān)注的研究方向。光固化固體推進(jìn)劑的增材制造工藝溫度低，固化速度快，其固化不均勻的問(wèn)題也逐步解決，但光固化推進(jìn)劑配方涉及固體推進(jìn)劑粘合劑體系的更換或改性，粘合劑體系與推進(jìn)劑配方性能的影響及相關(guān)性仍需系統(tǒng)研究，相當(dāng)于開(kāi)發(fā)一類(lèi)全新的固體推進(jìn)劑品種?；跓峁袒脑霾闹圃焱七M(jìn)劑配方雖然變動(dòng)小，但對(duì)配方流變特性與增材制造設(shè)備參數(shù)控制的匹配性提出較高要求，需要通過(guò)固化反應(yīng)速率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程中藥漿擠出與成型，精確控制的難度較大。研究者們也試圖通過(guò)光固化與熱固化協(xié)同作用的方式實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑增材制造，但仍無(wú)法擺脫其各自的缺陷。

采用盡可能小的變動(dòng)使在役固體推進(jìn)劑適用于增材制造工藝需求，是當(dāng)前固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)研究值得關(guān)注的方向，若能夠有效繼承現(xiàn)役成熟推進(jìn)劑的配方設(shè)計(jì)方法和性能調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，將有利于后續(xù)復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

增材制造的推廣應(yīng)用打破了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的限制，可顛覆傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則，滿(mǎn)足未來(lái)彈藥武器系統(tǒng)對(duì)復(fù)合固體推進(jìn)劑提出的高效制備、能量可控釋放以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)等發(fā)展需求。雖然國(guó)外增材制造技術(shù)研究在時(shí)間維度上更早起步，在空間維度上更加廣泛，但在含能材料領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外新型制造工藝的整體差距并不顯著。近年國(guó)內(nèi)針對(duì)復(fù)合固體推進(jìn)劑的增材制造技術(shù)已開(kāi)展大量基礎(chǔ)研究。發(fā)展適于增材制造的固體推進(jìn)劑，適于固體推進(jìn)劑的打印方式和設(shè)備，優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)小批量試生產(chǎn)和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)是下一步的研究重點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)梳理國(guó)內(nèi)外固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)已取得的研究成果和進(jìn)展，希望能夠啟發(fā)、推動(dòng)我國(guó)固體推進(jìn)劑整體技術(shù)水平的提升，繼而為武器裝備發(fā)展提供技術(shù)支撐。