在三维打印结构的协同能量复合材料中可编程的多尺度能量释放

构建更安全、更智能的爆破

爆炸为火箭、气囊和采矿提供动力，但其释放的能量往往难以控制。本研究探讨如何通过将特制的反应性颗粒与先进的3D打印结合，在时间和空间上雕刻这股能量冲击。其结果是一类新型能量材料，其燃烧速率、压力冲击和火球形态可以像工程装置一样被调节，而不是简单的爆响。

将两种能量体系结合

传统炸药，例如HMX，将燃料和氧化剂封存在单一分子内，并在极短时间内产生大量高温气体。它们擅长驱动强烈的冲击波，但释放的热量和反应持续时间有限。另一类被称为基于金属的反应性复合材料，将金属燃料与固体氧化剂混合。它们燃烧时温度高、热密度大，但多以形成固体残余为主，因此建立压力的效率较低。作者旨在以一种方式将这两种方法合并，使彼此弥补不足。

他们聚焦于一种由铝、钛和氧化铜颗粒包裹在HMX晶体周围的定制复合材料。通过声学混合方法，使细小的金属和氧化物颗粒在较大炸药晶体表面涂覆并附着，形成均匀的核壳颗粒。显微镜和X射线测试证实在制备过程中各成分保持化学分离但结构上紧密互锁。在若干混合配比中，40%金属复合材料与60% HMX的混合物呈现最均匀的包覆和最致密的堆积。

新颗粒的燃烧行为

在温和加热时，纯HMX会熔融然后在一次快速的产气分解中反应。在新型复合颗粒中，富金属的壳层改变了这一行为。它使HMX在略低温度下即可开始裂解，并且无论固态还是熔融态都更早参与反应，而来自HMX的早期气体和热量触发了第二个较慢的阶段：强烈的金属–氧化物反应，反应温度可延伸至接近1000摄氏度。红外和质谱测量显示，铝、钛和铜的存在不仅加速了第一阶段，还将分解途径引导到有利于持续放热而非产生不稳定副产物的方向。

这些微观变化在宏观上有明显表现。在开放空气中，激光点火试验表明所有混合粉末的燃烧都比单独的HMX更剧烈，后者在相同条件下无法点燃。尤其是40–60的混合物，表现为高而稳定的火焰，在高温下持续时间比金属含量更高的混合物更长，后者燃烧猛烈但迅速衰减。在封闭容器中，加入金属复合材料会显著提高峰值压力和压力上升速率，这得益于来自HMX的高温气体与主要为固态的金属反应释放的热之间的耦合。在适度的几何约束下，混合物甚至可能从简单燃烧转变为当压力波与气体生成相互增强时的爆轰。

以三维方式打印能量

为突破松散粉末的限制，团队使用弹性粘结剂将优化后的复合材料制成可打印油墨。流变测试表明该油墨在剪切下可流动，但沉积后能恢复刚性，这是直接挤出写入所需的关键性能。他们打印了直线丝和柱状“核壳”结构，其中中央为HMX杆，外层为复合材料套筒。显微观察证实打印的丝材致密且连续，较细的金属–氧化物颗粒簇拥在较大的炸药颗粒周围。安全性测试表明，尽管与单独HMX相比材料对冲击和摩擦更敏感，但在通过3D打印远程成型而非手工浇铸时，处理更为安全。

点燃时，打印的复合丝比打印的HMX丝燃烧得更快且更均匀，在压力舱中它们产生更高的峰值压力，并随着金属反应跟上初始气体爆发而出现次级压力上升。在全尺度的空气试爆中，核壳装药产生了比等质量HMX更大、更持久的火球和更强的冲击波，同时还喷出会发生小型次级爆发的燃烧碎片。热像记录了更高的平均与峰值温度，压力传感器显示源附近的超压增加，并在远处表现出尤其强的冲量。综合来看，这些结果表明组成与几何形态都可以作为旋钮来编程能量的传递方式。

为什么可编程爆破很重要

对非专业读者而言，关键信息是爆炸不必是一种粗糙的、一次性释放的事件。通过精心将炸药晶体包裹在反应性金属壳中并用3D打印将它们安排成特定结构，工程师可以编排热量、气体和压力何时何地出现。本工作展示了一套在多尺度上调节能量释放的工具包，可能支持更高效的推进、定制化的采矿与拆除，以及对爆破驱动试验的更好控制，同时暗示了为强效能量器件实现更安全制造路径的可行性。

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

关键词: 能量材料, 3D打印, 炸药, 燃烧, 冲击波