Программируемое многомасштабное высвобождение энергии в синергетических энергетических композициях с трехмерными печатными архитектурами

Создание более безопасных и интеллектуальных взрывов

Взрывы приводят в движение ракеты, подушка безопасности и используются в горном деле, но энергия, которую они высвобождают, часто трудно поддаётся контролю. В этом исследовании изучают, как сформировать всплеск энергии во времени и пространстве, комбинируя специально спроектированные реактивные частицы с передовой 3D‑печатью. В результате получился новый класс энергетических материалов, у которых скорость горения, скачок давления и форма факела настраиваются скорее как у инженерного устройства, чем как у простого взрыва.

Объединение двух энергетических подходов

Традиционные взрывчатые вещества, такие как HMX, хранят топливо и окислитель в пределах молекулы и очень быстро производят большой объём горячего газа. Они хорошо создают мощные ударные волны, но ограничены в количестве выделяемого тепла и длительности реакции. Другая семья материалов — металлические реактивные композиты — смешивает металлическое топливо с твёрдыми окислителями. Они горят очень горячо и плотным пламенем, но в основном образуют твердые остатки, поэтому менее эффективно накапливают давление. Авторы поставили задачу объединить эти два подхода так, чтобы каждый компенсировал слабые стороны другого.

Они сосредоточились на специально подобранном композите из частиц алюминия, титана и оксида меди, оболочкой охватывающих кристаллы HMX. С помощью акустического перемешивания мелкие металлические и оксидные зерна оседали и прилипали к большему взрывчатому кристаллу, формируя однородные частицы с «ядром‑оболочкой». Микроскопия и рентгеновские испытания подтвердили, что ингредиенты оставались химически раздельными при подготовке, но тесно переплетёнными по структуре. Среди нескольких соотношений смешивания смесь с 40 процентами металлического композита и 60 процентами HMX показала наиболее равномерное покрытие и плотную упаковку.

Как горят новые частицы

При мягком нагревании чистый HMX плавится, а затем разлагается в быстром газообразующем всплеске. В новых композитных частицах металлическая оболочка изменяет это поведение. Она заставляет HMX начинать распадаться при слегка более низкой температуре и как в твердой, так и в расплавленной формах, в то время как ранние газы и тепло от HMX запускают вторую, более медленную стадию: интенсивные реакции металл–оксид, продолжающиеся почти до 1000 градусов Цельсия. Инфракрасные и масс‑спектрометрические измерения показывают, что присутствие алюминия, титана и меди не только ускоряет первую стадию, но и направляет распад по путям, способствующим продолжительному выделению тепла, а не образованию нестабильных побочных продуктов.

Эти микроскопические изменения имеют очевидные макроскопические последствия. На открытом воздухе при лазерном поджиге все смешанные порошки горят энергичнее, чем чистый HMX, который при тех же условиях не воспламеняется. Смесь 40–60 особенно демонстрирует высокий, устойчивый факел, который длится дольше при высокой температуре по сравнению с смесями, богатых металлом: те горят ярко, но быстро затухают. В замкнутых сосудах добавление металлического композита резко увеличивает как пиковое давление, так и скорость его нарастания — благодаря взаимодействию горячего газа от HMX и тепла от в основном твердой металлической реакции. При умеренной геометрической конфайнментности смеси даже могут переходить от простого горения к детонации, когда волны давления и образование газа усиливают друг друга.

Печать энергии в трёх измерениях

Чтобы выйти за рамки сыпучих порошков, команда превратила оптимизированный композит в печатаемую пасту с резиноподобным связующим. Револогические испытания показали, что паста течёт при сдвиге, но восстанавливает жёсткость после осаждения — ключевое требование для прямой печати пастой. Они напечатали прямые филаменты и цилиндрические структуры «ядро‑оболочка», в которых центральный стержень из HMX обёрнут внешним слоем композита. Микроскопия подтвердила, что напечатанные нитки плотные и непрерывные, с более мелкими частицами металл‑оксида, устроенными вокруг крупных взрывчатых зерен. Тесты безопасности показали, что несмотря на повышенную чувствительность к удару и трению по сравнению с чистым HMX, материалы можно безопаснее обрабатывать при удалённом формообразовании с помощью 3D‑печати вместо ручного литья.

При поджоге напечатанные композитные филаменты горят быстрее и равномернее, чем напечатанные филаменты из HMX, а в камеры давления они дают более высокие пиковые давления и вторичные подъёмы давления по мере того, как металлические реакции догоняют первоначальный газовый взрыв. В полноразмерных воздушных испытаниях заряды «ядро‑оболочка» генерировали большие, длительные факелы и более сильные ударные волны по сравнению с эквивалентной массой HMX, одновременно разбрасывая горящие фрагменты, которые претерпевают небольшие вторичные вспышки. Тепловизоры фиксировали более высокие средние и пиковые температуры, а датчики давления показывали как увеличенное избыточное давление рядом с источником, так и особенно сильный импульс на дальней дистанции. Вместе эти результаты демонстрируют, что состав и геометрию можно использовать как регуляторы для программирования способа доставки энергии.

Почему программируемые взрывы важны

Для неспециалиста ключевой вывод в том, что взрывы не обязаны быть грубыми, одномоментными событиями. Тщательно оборачивая кристаллы взрывчатого вещества в реактивные металлические оболочки и размещая их с помощью 3D‑печати, инженеры могут хореографировать, когда и где появляются тепло, газ и давление. Эта работа демонстрирует набор инструментов для настройки высвобождения энергии на нескольких масштабах, что может поддержать более эффективное двигательное усилие, целенаправленную добычу и снос, а также лучший контроль испытаний, управляемых взрывом, одновременно открывая пути к более безопасным методам производства мощных энергетических устройств.

Цитирование: 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

Ключевые слова: энергетические материалы, 3D‑печать, взрывчатые вещества, горение, ударные волны