三次元印刷アーキテクチャを持つ相乗エネルギー複合材料におけるプログラム可能な多段階エネルギー放出

より安全で賢い爆発をつくる

爆発はロケット、エアバッグ、採掘などに動力を与えるが、その放出されるエネルギーは制御が難しいことが多い。本研究は、特別に設計した反応性粒子と高度な3D印刷を組み合わせて、空間的・時間的にそのエネルギーの瞬発を形作る方法を探るものである。結果として得られたのは、燃焼速度、圧力の急増、火球形状を単純な爆発ではなく設計された機械のように調整できる新しいクラスのエネルギー材料である。

二つのエネルギー世界の融合

従来の爆薬、例えばHMXは燃料と酸化剤を分子内に保持し、非常に短時間で大量の高温ガスを生成する。強力な衝撃波を駆動するのに優れる一方で、放出する熱量や反応の持続時間には限界がある。もう一方の金属系反応性複合材料は金属燃料と固体酸化剤を混合し、非常に高温かつ高密度で燃焼するが、主に固体残渣を生成するため圧力を効率的に構築しにくい。著者らはこれら二つのアプローチを融合させ、片方の弱点をもう一方で補えるようにすることを目指した。

彼らはアルミニウム、チタン、酸化銅の粒子をHMX結晶の周りに巻き付けたカスタム複合体に注目した。音響撹拌法を用いて、細かな金属と酸化物の粒子が大きな爆薬結晶をコーティングして付着し、均一なコア–シェル粒子を形成するようにした。顕微鏡観察とX線検査により、調製中に成分が化学的に混ざり合うことなく存在しつつ、構造的には緊密に絡み合っていることが確認された。いくつかの混合比の中で、金属複合体40％とHMX60％のブレンドが最も均一な被覆と高密度充填を示した。

新粒子の燃焼挙動

穏やかに加熱すると、純粋なHMXは溶融してから急速に分解し、ガスを大量に生成する。新しい複合粒子では金属リッチなシェルがこの挙動を変える。シェルはHMXがやや低温で、固体および溶融の両状態で分解を始めるよう促し、HMXからの初期ガスと熱が第二段階のより遅い、激しい金属–酸化物反応を誘発して最大でほぼ1000℃に達する。赤外線および質量分析の測定は、アルミニウム、チタン、銅の存在が第一段階を加速するだけでなく、分解経路を熱放出を継続させやすい方向に誘導し、不安定な副生成物を抑えることを示している。

これらの微視的変化は巨視的にも明確な効果を持つ。開放空間のレーザー着火試験では、すべての混合粉末が単独のHMXよりも激しく燃焼し、同条件下でHMX単体は着火しない。特に40–60ブレンドは高温で長く持続する背の高い安定した炎を示し、金属寄りの混合物が激しく燃えるがすぐに消えるのとは対照的である。密閉容器内では、金属複合体を加えることでピーク圧力と圧力上昇速度の双方が急増する。これはHMXからの高温ガスと主に固体で進行する金属反応からの熱が結合するためである。穏やかな幾何学的閉塞下では、圧力波とガス生成が相互に強化し合うことで、混合物が単純な燃焼から爆轟へと移行することさえある。

三次元にエネルギーを印刷する

散状粉末を超えるために、チームは最適化した複合体を弾性バインダーを用いて印刷可能なインクに仕立てた。レオロジー試験は、インクがせん断下で流動し、配置後に剛性を回復することを示し、直接インク描画（DIW）に必要な特性を満たしていることが分かった。彼らは直線フィラメントと、中央にHMXのロッドを持ち外側を複合体のスリーブで包んだ円筒状の“コア–シェル”構造を印刷した。顕微鏡観察は、印刷された線材が高密度で連続的であり、より細かい金属–酸化物粒子が大きな爆薬粒子の周りに入り込んでいることを確認した。安全性試験は、HMX単体より衝撃・摩擦に対する感度が高くなる一方で、3D印刷により遠隔で成形すれば手作業による鋳造より安全に扱える可能性を示した。

着火すると、印刷複合フィラメントは印刷HMXフィラメントよりも速く均一に燃焼し、圧力チャンバー内では初期のガス爆発に続いて金属反応が追いつくことで高いピーク圧力と二次的な圧力上昇を生む。実射実験（フルスケールの空中爆発）では、コア–シェル充填は同質量のHMXより大きく長寿命の火球と強い衝撃波を生み、燃えた破片を噴出して小さな二次爆発を引き起こすこともあった。サーマルカメラは平均およびピーク温度の上昇を記録し、圧力センサーは発生源近傍での過圧増加と遠方での特に強いインパルスを示した。これらの結果は、組成と形状の双方がエネルギー伝達をプログラムするための調整ノブとして利用できることを示している。

プログラム可能な爆発が重要な理由

一般向けに言えば、重要なメッセージは爆発が粗雑で一度きりの出来事である必要はないということだ。爆発性結晶を反応性金属シェルで丁寧に包み、3D印刷で配置することで、熱、ガス、圧力がいつどこに現れるかを演出できる。本研究は複数スケールにわたるエネルギー放出を調整するためのツールキットを示しており、効率的な推進、用途に応じた採掘・解体、爆風試験のより良い制御などを支援し得ると同時に、強力なエネルギー装置の製造をより安全にする手法の可能性も示唆している。

引用: Chen, Y., Ren, H., Xin, H. et al. Programmable multiscale energy release in synergistic energetic composites with three dimensional printed architectures. Nat Commun 17, 4491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71222-4

キーワード: エネルギー材料, 3D印刷, 爆薬, 燃焼, 衝撃波