復合固體火箭推進劑廣泛用于各種戰(zhàn)略和戰(zhàn)術導彈、火箭和助推器等設備，具有密度大、比沖高、使用方便等優(yōu)點。復合固體推進劑燃燒過程中，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構，難以實現(xiàn)復雜形狀端口的成型，從而限制了推進動力性能的可控性和靈活性。

增材制造又稱“3D打印”，是指在計算機程序控制下連續(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應用到復合固體推進劑制造領域，可有效突破傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)復雜形狀端口成型的瓶頸，并降低新型固體推進劑的開發(fā)成本。紫外光（UV）固化是增材制造技術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，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)展成為應用最為廣泛的增材制造技術之一。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自東南大學等機構的研究人員于《含能材料》期刊發(fā)表論文，提出了通過在傳統(tǒng)復合固體推進劑中加入部分UV固化樹脂的方法實現(xiàn)推進劑樣品的打印，并通過一體化增材制造的方式在推進劑樣品內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劑樣品溫度的變化規(guī)律驗證了其溫度監(jiān)測能力。研究結果可為復合固體推進劑的增材制造及其服役期間智能化健康監(jiān)測技術發(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合固體推進劑打印配方及技術參數(shù)進行了測試和優(yōu)化。

首先，對于UV固化樹脂含量，研究發(fā)現(xiàn)，當推進劑漿料固含量為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固化性能。綜合考慮打印質量、能量密度和擠出過程安全性，最終選擇固含量為81%的漿料配方進行推進劑樣品打印，得到的打印推進劑樣品成型較好，未發(fā)生明顯結構坍塌或變形，驗證了基于光固化成型的增材制造技術應用于復合固體推進劑制造領域的可行性。

圖3 漿料預固化效果圖：（a）按壓玻璃棒；（b）抬起玻璃棒

其次，研究人員對打印推進劑樣品的拉伸性能進行了分析。測試結果表明，20℃時樣品的拉伸強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)澆注制造的復合固體推進劑相比，20℃時樣品的拉伸強度增大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構，紋理按水平分布，與傳統(tǒng)澆注推進劑相比，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 打印推進劑樣品拉伸應力‐應變曲線

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

圖5 傳感器材料與推進劑結合力測試曲線

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劑樣品溫度的變化規(guī)律。研究結果表明，溫度傳感器的電阻與溫度基本呈線性關系（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，該研究證明了復合固體推進劑與電阻式溫度傳感器一體化增材制造的可行性，為實現(xiàn)增材制造固體推進劑服役期間的智能化健康監(jiān)測提供了一種技術途徑。

審核編輯：郭婷