TG/DSC用来测量在特定氛围内，伴随着温度的持续升高，材料的热效应以及发生热效应时重量的变化情况。利用差示扫描量热法(DSC)和热重分析法(TG)测试了CuO/Al、PTFE/Al复合材料的热分解性能。在PTFE与Al质量比为60:40（#3）时，反应热最大(7749.95 J/g)。与以前的报道和我们以前的结果相比，本工作中的高反应热可能归因于采用声共振混合技术和3D打印技术的PTFE和Al之间的混合均匀性。聚四氟乙烯和铝的混合均匀性可以增强质量扩散和反应动力。
纳米铝热剂作为一种新型的火工药剂，良好的燃烧性能对其在微型器件中的应用至关重要。影响CuO/Al反应性材料燃烧性能的因素主要有Al与CuO的比例、CuO/Al反应性材料的固相含量（粘结剂含量）、燃烧线条的直径。在本实验中，我们根据Al与CuO之间的化学反应方程式，以及纳米Al粉自身的活性，固定了Al与CuO之间的质量比例为1:2.22。所以下面主要研究了固相含量和线条直径对于燃烧速率的影响情况。
CuO/Al复合材料线条的燃烧过程和燃烧速率，需要声明的是复合材料F-05的线条由于粘结剂含量少，在测试过程中出现爆轰现象，测试过程比较危险，所拍摄的火焰传播画面和计算的燃烧速度与真实情况有比较大的出入，所以复合材料F-05不参与燃速对比和相关分析过程。
根据图3-8中复合材料F-10、F-15、F-20、F-25的燃烧过程，我们可以看到CuO/Al复合材料都能够被点燃并且火焰稳定传播，直到所有样品完全燃烧才熄灭。图中显示粘结剂含量为15 wt%的CuO/Al复合材料线条在大约40 ms~100 ms的时间范围内火焰处于前移状态，这主要是因为在燃烧过程中产生的气体形成的冲击力对样品线条进行了推动，导致还未燃烧的线条发生了弯曲，所以火焰看起来发生了偏移。进一步证明了燃烧过程中的反应存在气相的变化，印证了TG-DSC的分析结果。
根据燃烧火焰形态，与复合材料F-15燃烧过程相似的是复合材料F-20，在整个燃烧过程中火焰呈现出喷射的状态，表现了不俗的冲击力。相对地，复合材料F-10和复合材料F-25的火焰形态看起来比较温和，不会产生广阔的波及范围。
计算结果表明，随着粘结剂含量的增加，CuO/Al复合材料的燃烧速率从~352 mm/s急剧下降到~32 mm/s，这表明FXJ-A的添加极大程度上降低了CuO/Al复合材料线条的燃烧速率，这可能是由于CuO/Al复合材料内部的CuO颗粒与Al颗粒由于粘结剂的存在而不能直接接触造成的。粘结剂含量为5 wt%的CuO/Al复合材料线条能够发生爆轰，而粘结剂含量为25 wt%的CuO/Al复合材料线条只有~32 mm/s的燃烧速率，这充分说明粘结剂的存在阻碍了复合材料内部主要反应组分的接触。应当注意，CuO/Al复合材料的最佳燃烧速率为90 wt%固相含量（即5 wt%粘结剂含量），另外添加粘结剂不仅改善了CuO/Al复合材料的流变性，更好地适用于3D打印，还补偿了能量损失。
直径对CuO/Al复合材料线条燃烧速率的影响不容忽视。我们分别使用粘结剂含量15 wt%和25 wt%的CuO/Al复合材料，利用3D打印技术制备了不同表观直径的复合材料线条，并进行了燃烧和高速摄影，对燃烧时间和长度进行计算分析。两种CuO/Al复合材料，燃烧速率都随着复合材料线条的表观直径的增大而增大。对于固相含量为85 wt％的CuO/Al的复合材料（粘结剂含量为15 wt％），当直径为0.33 mm时，它呈现出最低的燃烧速度138 mm/s，而在直径达到0.55 mm后增加到163 mm/s，两个表观直径下的燃烧速率差值25 mm/s。当CuO/Al复合材料的固相含量降低到75 wt%的时候，复合材料线条拥有的燃烧速率也随着表观直径的增加而增大，此时的燃烧速率范围只有30 mm/s-36 mm/s，当表观直径从0.35 mm增大到0.55mm时，燃烧速率只增大6 mm/s。CuO/Al复合材料线条的燃烧速率随着表观直径的增加，先快速增大，然后增加速率开始变得缓慢，达到某一表观直径之后燃烧速率保持不变，这一表观直径是复合材料的最大临界直径。两种粘结剂含量的CuO/Al复合材料线条的燃烧速率变化趋势证明了，高固相含量的CuO/Al复合材料具有更大的最大临界直径，具有更宽的燃烧速率增长范围。
当使用不同长度的样品时，燃烧现象没有很大差异。线条被点燃之后，火焰可以在很短的时间内达到稳定燃烧状态并继续向后传播。图中看到火焰大小差异的原因是拍摄画面的改变形成的，第一行图片中显示出了燃烧的样品长度，确保了真实性，燃烧过程图片上的标尺按照相应的比例设置，可以作为有效的依据。对燃烧过程进行分析，根据样品燃烧长度和燃烧时间计算出了其燃烧速率。各个长度线条平均燃烧速度之间的标准方差为1.95%。所以根据以上计算结果表明样品的长度对燃烧速率的影响相对较小(标准偏差<5.0%)。从而证明，在其他燃烧实验中使用的不统一长度的样品是可靠的。
与CuO/Al反应性材料一样，影响PTFE/Al反应性材料燃烧性能的因素主要有PTFE与Al的比例、PTFE/Al反应性材料的固相含量（粘结剂含量）、燃烧线条的直径。在本实验中，我们将PTFE/Al复合材料中粘结剂的含量固定为10 wt%，利用粘结剂含量为10 wt%组分含量油墨线条来研究了组分比例和线条直径对于燃烧速率的影响情况。
显示了不同PTFE与Al质量比的PTFE/Al复合材料的燃烧过程。在打印过程中，通过调整挤出压力和打印速度保证了变组分PTFE/Al复合材料线条的直径为~1.2 mm。图中表明粘结剂含量为10 wt%的变组分比例的PTFE/Al复合材料都能够顺利燃烧并且进行火焰的传播。其中当PTFE与Al质量比为50:50（PA-5050）、55:45（PA-5545）和60:40（PA-6040）的时候，燃烧过程的火焰看起来比较明亮，火焰形貌更加丰满，燃烧效果相较于PTFE与Al质量比为65:35（PA-6535）和70:30（PA-7030）的复合材料更加优异。复合材料PA-7030在镍铬丝进行加热起火之后，火焰扩散速度最慢，主要是燃料（Al）含量降低造成的。
当PTFE/Al复合材料中PTFE与Al的质量比为50:50（PA-5050）60:40（PA-6040）时，其燃烧速度从~38 mm/s增加到~43 mm/s。随后，当PTFE/Al复合材料中PTFE与Al的质量比为65:35（PA-6535）和70:30（PA-7030）时，PTFE/Al复合材料线条的燃烧速率急剧下降，分别为~23 mm/s和~19.8 mm/s。主要由于PTFE过量或Al含量不足导致反应不完全，燃速降低。另外PTFE的低导热系数可能会阻碍燃烧过程中的传热，从而降低燃烧反应和火焰传播过程。
前面关于PTFE/Al复合材料变组分燃烧实验和变直径燃烧实验表明组分和表观直径都能够对燃烧速率进行调控，因此通过3D打印技术分别将五种组分质量比的PTFE/Al复合材料直写成了复合锯齿结构。每个横向线条代表一种组分比例，并对其的燃烧过程进行了高速摄像，过程简图如图所示。当PTFE/Al复合材料在左下角被点燃之后，火焰能够顺利传播到终点位置，但是在传播过程中遇到线条橡胶的交点时，由于交点处的PTFE/Al复合材料比较充足，所以会发生爆燃现象，出现火焰喷射的情况。重要的是，制备的变组分锯齿复合结构中的每个线条的表观直径都是1.2±0.1 mm，确保了直径的统一性。另外，我们也使用PTFE与Al质量比为60:40的PTFE/Al复合材料制备了变直径锯齿复合结构，从下到上线条的直径依次增加（1.05 mm~2.42 mm）。燃烧情况和变组分锯齿复合结构一样，火焰都能够从初始点火点（左下角）顺利传播至终点，并且在线条交点处发生爆燃现象。实验发现从下往上每条线的燃烧速率与前面的研究规律一致，随着直径的增加燃烧速率也在增加。
对制备的CuO/Al复合材料以及PTFE/Al复合材料的放热性能和燃烧性能做了相关的测试和分析。放热性能方面，从固相含量和组分比例两个方面分别对CuO/Al复合材料和PTFE/Al复合材料的放热量和失重率进行对比分析，随着固相含量的减少，CuO/Al复合材料反应放出的热量也快速减少；随着PTFE与Al质量比从50:50变化到70:30，PTFE/Al复合材料的放热量呈现出先增大后减小的变化规律，在质量比为60:40的时候具有最大的放热量，约为7749.95 J/g。燃烧性能方面，CuO/Al复合材料的固相含量与打印线条的燃烧速率变化具有一定的相关关系，固相含量越大，燃烧速率越大。当固相含量为95 wt%的时候，CuO/Al复合材料线条发生爆燃现象，因为火焰喷射的缘故，高速摄像机检测不到火焰前沿，无法准确计算其燃烧速率。与放热性能一样，PTFE/Al复合材料线条的燃烧速率也是随着组分比例的增加先增大，后减小，在PTFE与Al质量比为60:40的时候拥有最大的燃烧速率。另外，不论是CuO/Al复合材料，还是PTFE/Al复合材料，其线条的燃烧速率都是随着表观直径的增加而增大的。
与轴向梯度结构不同的是，径向梯度药柱采用的是不同形貌PTFE制备的PTFE/Al复合材料，分别为u-PTFE/Al、PTFE-x/Al、n-PTFE/Al复合材料。径向梯度包括内芯、夹层、外壳三个部分，分别对应三种PTFE/Al复合材料。在梯度结构的制备过程中，依据排列组合理论会出现六种不同的组合情况；在此基础上为了对比复合材料有序排列与无序排列之间压力输出的差异，将三种PTFE/Al复合材料等质量混合制备了同规格药柱，每个药柱包含的PTFE/Al复合材料的质量为3.0g。
轴向梯度药柱压力输出测试是在可视密闭爆发器内进行的，利用激光对梯度药柱进行触发点火，并使用高速摄像机收集药柱被点火之后的燃烧过程。另外，采用压力传感器对输出压力进行数据采集，传感器可承受的最大压力范围为5 MPa。径向梯度药柱压力输出测试是在密闭容器内进行的。将要测试的药柱放置在密闭容器内部的金属坩埚内，缠绕电阻丝使其与被测试药柱上界面中心接触，在通电的情况下电阻丝被加热，从而点燃径向梯度药柱，利用20 MPa的压力传感器采集压力数据，进行结果分析。
PTFE/Al复合材料都能够获得输出压力，最大的压力值分别为55.70KPa、64.08 KPa和62.03 KPa。复合材料的压PA-6040获得的压力值最大，说明在相同质量下，60:40的质量比在反应过程中释放的气体最多，反应也更加完全。相对地，在质量比为50:50或者70:30的时候，复合材料中参与反应的两种组分PTFE和Al当中有一种组分是相对过量的，有部分的PTFE或者Al没能参与反应。从升压速率来看，三种质量比的PTFE/Al复合材料的升压速率分别为1197.87 KPa/s、1210.14 KPa/s和1267.98 KPa/s。虽然升压速率之间有较小的差异，大概为升压速率的二十分之一左右，可以忽略不计。因此，三种质量比的PTFE/Al复合材料的升压速率没有受到质量比的影响。
轴向梯度压力测试实验是一个带有玻璃窗口的密闭定容爆发器内进行的，利用压力传感器收集梯度结构的压力变化，通过玻璃窗口拍摄梯度结构燃烧过程。使用氟橡胶将测试药柱粘接在金属摆件上，将金属摆件横向放置，激光可以正面作用在药柱顶端，而高速摄像机可以拍摄到整个药柱的侧面，从而记录火焰从不同质量比的复合材料之间的传播变化情况。
上一篇：含能材料喷墨打印：新进展与多样化应用
下一篇：3D打印技术在反应性材料结构制备中的全面应用解析
销售热线：158-1687-3821
