燃压特性与形貌关联深度探

PTFE/Al复合材料3D打印的轴向梯度结构图展示了梯度结构的组分分布情况。其激光点火燃烧过程与制备过程相对应：复合材料PA - 7030处在最顶端，被激光引燃后，火焰扩散至稳定传播，随后向下传播到复合材料PA - 6040和PA - 5050的位置。整个燃烧过程所用时间大约为360 ms，大致可分为三个阶段，即火焰成长阶段、稳定传播阶段和爆燃阶段。

燃烧过程各阶段详细分析

1. 火焰成长阶段（0 - 48 ms）：顶端的复合材料PA - 7030被激光作用，由于激光能量高于复合材料阈值，此时复合材料产生热点并发生反应，形成火焰。在大约48 ms的短时间内，火焰从激光作用的点扩散到整个药柱顶端，形成比较稳定的火焰并进一步传播。
2. 火焰稳定传播阶段（60 ms - 203 ms）：火焰通过药柱顶端向下传播。通过对燃烧火焰的分析认为，火焰稳定传播阶段发生在PTFE/Al复合材料PA - 7030内部。当火焰前沿达到PA - 7030与PA - 6040的接触界面时，由于PTFE/Al复合材料PA - 6040具有更好的燃烧性能，便出现了爆燃阶段（203 ms - 360 ms）。

燃烧过程与压力输出的对应关系

与燃烧过程相对应，在轴向梯度结构药柱燃烧过程中，压力输出发生了巨大变化。由于三种PTFE/Al复合材料的存在，整个压力升高过程也分成了三个阶梯，且每个阶段具有不同的升压速率：

1. 第一阶段：空间内压力以1068.23 kPa/s的速度迅速上升到约40 KPa。
2. 第二阶段：压力从约40 KPa增加到约51 KPa，压力速率为218.36 KPa/s。
3. 第三阶段：压力增加到最大值约62 KPa，压力速率约为110.85 KPa/s。

整个升压过程持续了大约250 ms，且越往后耗费的时间越长。这主要是因为在较长时间的压力增长过程中，压力损耗比较严重，后续压力升高需要补偿前面的压力损失，导致升压速率降低、升压时间变长。

梯度结构设计与压力输出的关系

PTFE/Al复合材料的梯度压力输出和压力速率进一步表明，通过梯度结构的设计可以调节燃烧反应和能量。PTFE与Al质量比对PTFE/Al复合材料的压力输出有明显影响，制备的轴向梯度结构也能有效地对压力输出速率和压力值进行控制。

PTFE形貌对输出压力的影响测试与讨论

在此基础上，对PTFE形貌对于PTFE/Al复合材料输出压力的影响进行了测试和讨论。分别进行了u - PTFE/Al、PTFE - x/Al、n - PTFE/Al复合材料单一药柱的压力输出测试，记录了它们的最大压力值，并计算了其升压速率，相关结果通过压力曲线和升压速率值体现。

三种形貌的PTFE/Al复合材料药柱具有很快的压力输出过程，在50 ms的时间内，压力值从常压升到了最大压力，对应的压力值分别为：u - PTFE/Al复合材料3919.2 KPa、PTFE - x/Al复合材料3762.5 KPa以及n - PTFE/Al复合材料3922.0 KPa。

n - PTFE/Al复合材料药柱具有更大的输出压力值，主要是因为纳米的PTFE颗粒具有更大比表面积，在复合材料内部与纳米Al颗粒有更多的接触机会，在被引燃之后能够更充分地互相反应，产生较多的气体产物，从而形成较大的压力输出值。

与之对应的，PTFE - x/Al复合材料中的PTFE纤维形貌不规则，虽然与u - PTFE具有相似的尺寸，但是PTFE纤维的比表面积小于u - PTFE颗粒的，在反应过程中相对较差。

计算得到的升压速率能够显示出压力的变化响应速度。同样的，n - PTFE/Al复合材料药柱具有最大的升压速率（约86321.84 KPa/s），主要依赖于纳米尺度上的反应以及样品混合程度。PTFE/Al复合材料制备的均匀性对组分之间反应的充分程度有着巨大的影响，高升压速率的获得证明了PTFE/Al复合材料在制备过程中的可靠性。虽然u - PTFE/Al复合材料、PTFE - x/Al复合材料药柱的升压速率不是最高的，但依旧有47439.28 KPa/s和59822.60 KPa/s的值。

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