TG/DSC用來測(cè)量在特定氛圍內(nèi)，伴隨著溫度的持續(xù)升高，材料的熱效應(yīng)以及發(fā)生熱效應(yīng)時(shí)重量的變化情況。利用差示掃描量熱法(DSC)和熱重分析法(TG)測(cè)試了CuO/Al、PTFE/Al復(fù)合材料的熱分解性能。在PTFE與Al質(zhì)量比為60:40（#3）時(shí)，反應(yīng)熱最大(7749.95 J/g)。與以前的報(bào)道和我們以前的結(jié)果相比，本工作中的高反應(yīng)熱可能歸因于采用聲共振混合技術(shù)和3D打印技術(shù)的PTFE和Al之間的混合均勻性。聚四氟乙烯和鋁的混合均勻性可以增強(qiáng)質(zhì)量擴(kuò)散和反應(yīng)動(dòng)力。

納米鋁熱劑作為一種新型的火工藥劑，良好的燃燒性能對(duì)其在微型器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。影響CuO/Al反應(yīng)性材料燃燒性能的因素主要有Al與CuO的比例、CuO/Al反應(yīng)性材料的固相含量（粘結(jié)劑含量）、燃燒線條的直徑。在本實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)Al與CuO之間的化學(xué)反應(yīng)方程式，以及納米Al粉自身的活性，固定了Al與CuO之間的質(zhì)量比例為1:2.22。所以下面主要研究了固相含量和線條直徑對(duì)于燃燒速率的影響情況。

CuO/Al復(fù)合材料線條的燃燒過程和燃燒速率，需要聲明的是復(fù)合材料F-05的線條由于粘結(jié)劑含量少，在測(cè)試過程中出現(xiàn)爆轟現(xiàn)象，測(cè)試過程比較危險(xiǎn)，所拍攝的火焰?zhèn)鞑ギ嬅婧陀?jì)算的燃燒速度與真實(shí)情況有比較大的出入，所以復(fù)合材料F-05不參與燃速對(duì)比和相關(guān)分析過程。

根據(jù)圖3-8中復(fù)合材料F-10、F-15、F-20、F-25的燃燒過程，我們可以看到CuO/Al復(fù)合材料都能夠被點(diǎn)燃并且火焰穩(wěn)定傳播，直到所有樣品完全燃燒才熄滅。圖中顯示粘結(jié)劑含量為15 wt%的CuO/Al復(fù)合材料線條在大約40 ms~100 ms的時(shí)間范圍內(nèi)火焰處于前移狀態(tài)，這主要是因?yàn)樵谌紵^程中產(chǎn)生的氣體形成的沖擊力對(duì)樣品線條進(jìn)行了推動(dòng)，導(dǎo)致還未燃燒的線條發(fā)生了彎曲，所以火焰看起來發(fā)生了偏移。進(jìn)一步證明了燃燒過程中的反應(yīng)存在氣相的變化，印證了TG-DSC的分析結(jié)果。

根據(jù)燃燒火焰形態(tài)，與復(fù)合材料F-15燃燒過程相似的是復(fù)合材料F-20，在整個(gè)燃燒過程中火焰呈現(xiàn)出噴射的狀態(tài)，表現(xiàn)了不俗的沖擊力。相對(duì)地，復(fù)合材料F-10和復(fù)合材料F-25的火焰形態(tài)看起來比較溫和，不會(huì)產(chǎn)生廣闊的波及范圍。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著粘結(jié)劑含量的增加，CuO/Al復(fù)合材料的燃燒速率從~352 mm/s急劇下降到~32 mm/s，這表明FXJ-A的添加極大程度上降低了CuO/Al復(fù)合材料線條的燃燒速率，這可能是由于CuO/Al復(fù)合材料內(nèi)部的CuO顆粒與Al顆粒由于粘結(jié)劑的存在而不能直接接觸造成的。粘結(jié)劑含量為5 wt%的CuO/Al復(fù)合材料線條能夠發(fā)生爆轟，而粘結(jié)劑含量為25 wt%的CuO/Al復(fù)合材料線條只有~32 mm/s的燃燒速率，這充分說明粘結(jié)劑的存在阻礙了復(fù)合材料內(nèi)部主要反應(yīng)組分的接觸。應(yīng)當(dāng)注意，CuO/Al復(fù)合材料的最佳燃燒速率為90 wt%固相含量（即5 wt%粘結(jié)劑含量），另外添加粘結(jié)劑不僅改善了CuO/Al復(fù)合材料的流變性，更好地適用于3D打印，還補(bǔ)償了能量損失。

直徑對(duì)CuO/Al復(fù)合材料線條燃燒速率的影響不容忽視。我們分別使用粘結(jié)劑含量15 wt%和25 wt%的CuO/Al復(fù)合材料，利用3D打印技術(shù)制備了不同表觀直徑的復(fù)合材料線條，并進(jìn)行了燃燒和高速攝影，對(duì)燃燒時(shí)間和長度進(jìn)行計(jì)算分析。兩種CuO/Al復(fù)合材料，燃燒速率都隨著復(fù)合材料線條的表觀直徑的增大而增大。對(duì)于固相含量為85 wt％的CuO/Al的復(fù)合材料（粘結(jié)劑含量為15 wt％），當(dāng)直徑為0.33 mm時(shí)，它呈現(xiàn)出最低的燃燒速度138 mm/s，而在直徑達(dá)到0.55 mm后增加到163 mm/s，兩個(gè)表觀直徑下的燃燒速率差值25 mm/s。當(dāng)CuO/Al復(fù)合材料的固相含量降低到75 wt%的時(shí)候，復(fù)合材料線條擁有的燃燒速率也隨著表觀直徑的增加而增大，此時(shí)的燃燒速率范圍只有30 mm/s-36 mm/s，當(dāng)表觀直徑從0.35 mm增大到0.55mm時(shí)，燃燒速率只增大6 mm/s。CuO/Al復(fù)合材料線條的燃燒速率隨著表觀直徑的增加，先快速增大，然后增加速率開始變得緩慢，達(dá)到某一表觀直徑之后燃燒速率保持不變，這一表觀直徑是復(fù)合材料的最大臨界直徑。兩種粘結(jié)劑含量的CuO/Al復(fù)合材料線條的燃燒速率變化趨勢(shì)證明了，高固相含量的CuO/Al復(fù)合材料具有更大的最大臨界直徑，具有更寬的燃燒速率增長范圍。

當(dāng)使用不同長度的樣品時(shí)，燃燒現(xiàn)象沒有很大差異。線條被點(diǎn)燃之后，火焰可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)并繼續(xù)向后傳播。圖中看到火焰大小差異的原因是拍攝畫面的改變形成的，第一行圖片中顯示出了燃燒的樣品長度，確保了真實(shí)性，燃燒過程圖片上的標(biāo)尺按照相應(yīng)的比例設(shè)置，可以作為有效的依據(jù)。對(duì)燃燒過程進(jìn)行分析，根據(jù)樣品燃燒長度和燃燒時(shí)間計(jì)算出了其燃燒速率。各個(gè)長度線條平均燃燒速度之間的標(biāo)準(zhǔn)方差為1.95%。所以根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果表明樣品的長度對(duì)燃燒速率的影響相對(duì)較小(標(biāo)準(zhǔn)偏差<5.0%)。從而證明，在其他燃燒實(shí)驗(yàn)中使用的不統(tǒng)一長度的樣品是可靠的。

與CuO/Al反應(yīng)性材料一樣，影響PTFE/Al反應(yīng)性材料燃燒性能的因素主要有PTFE與Al的比例、PTFE/Al反應(yīng)性材料的固相含量（粘結(jié)劑含量）、燃燒線條的直徑。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將PTFE/Al復(fù)合材料中粘結(jié)劑的含量固定為10 wt%，利用粘結(jié)劑含量為10 wt%組分含量油墨線條來研究了組分比例和線條直徑對(duì)于燃燒速率的影響情況。

顯示了不同PTFE與Al質(zhì)量比的PTFE/Al復(fù)合材料的燃燒過程。在打印過程中，通過調(diào)整擠出壓力和打印速度保證了變組分PTFE/Al復(fù)合材料線條的直徑為~1.2 mm。圖中表明粘結(jié)劑含量為10 wt%的變組分比例的PTFE/Al復(fù)合材料都能夠順利燃燒并且進(jìn)行火焰的傳播。其中當(dāng)PTFE與Al質(zhì)量比為50:50（PA-5050）、55:45（PA-5545）和60:40（PA-6040）的時(shí)候，燃燒過程的火焰看起來比較明亮，火焰形貌更加豐滿，燃燒效果相較于PTFE與Al質(zhì)量比為65:35（PA-6535）和70:30（PA-7030）的復(fù)合材料更加優(yōu)異。復(fù)合材料PA-7030在鎳鉻絲進(jìn)行加熱起火之后，火焰擴(kuò)散速度最慢，主要是燃料（Al）含量降低造成的。

當(dāng)PTFE/Al復(fù)合材料中PTFE與Al的質(zhì)量比為50:50（PA-5050）60:40（PA-6040）時(shí)，其燃燒速度從~38 mm/s增加到~43 mm/s。隨后，當(dāng)PTFE/Al復(fù)合材料中PTFE與Al的質(zhì)量比為65:35（PA-6535）和70:30（PA-7030）時(shí)，PTFE/Al復(fù)合材料線條的燃燒速率急劇下降，分別為~23 mm/s和~19.8 mm/s。主要由于PTFE過量或Al含量不足導(dǎo)致反應(yīng)不完全，燃速降低。另外PTFE的低導(dǎo)熱系數(shù)可能會(huì)阻礙燃燒過程中的傳熱，從而降低燃燒反應(yīng)和火焰?zhèn)鞑ミ^程。

前面關(guān)于PTFE/Al復(fù)合材料變組分燃燒實(shí)驗(yàn)和變直徑燃燒實(shí)驗(yàn)表明組分和表觀直徑都能夠?qū)θ紵俾蔬M(jìn)行調(diào)控，因此通過3D打印技術(shù)分別將五種組分質(zhì)量比的PTFE/Al復(fù)合材料直寫成了復(fù)合鋸齒結(jié)構(gòu)。每個(gè)橫向線條代表一種組分比例，并對(duì)其的燃燒過程進(jìn)行了高速攝像，過程簡圖如圖所示。當(dāng)PTFE/Al復(fù)合材料在左下角被點(diǎn)燃之后，火焰能夠順利傳播到終點(diǎn)位置，但是在傳播過程中遇到線條橡膠的交點(diǎn)時(shí)，由于交點(diǎn)處的PTFE/Al復(fù)合材料比較充足，所以會(huì)發(fā)生爆燃現(xiàn)象，出現(xiàn)火焰噴射的情況。重要的是，制備的變組分鋸齒復(fù)合結(jié)構(gòu)中的每個(gè)線條的表觀直徑都是1.2±0.1 mm，確保了直徑的統(tǒng)一性。另外，我們也使用PTFE與Al質(zhì)量比為60:40的PTFE/Al復(fù)合材料制備了變直徑鋸齒復(fù)合結(jié)構(gòu)，從下到上線條的直徑依次增加（1.05 mm~2.42 mm）。燃燒情況和變組分鋸齒復(fù)合結(jié)構(gòu)一樣，火焰都能夠從初始點(diǎn)火點(diǎn)（左下角）順利傳播至終點(diǎn)，并且在線條交點(diǎn)處發(fā)生爆燃現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從下往上每條線的燃燒速率與前面的研究規(guī)律一致，隨著直徑的增加燃燒速率也在增加。

對(duì)制備的CuO/Al復(fù)合材料以及PTFE/Al復(fù)合材料的放熱性能和燃燒性能做了相關(guān)的測(cè)試和分析。放熱性能方面，從固相含量和組分比例兩個(gè)方面分別對(duì)CuO/Al復(fù)合材料和PTFE/Al復(fù)合材料的放熱量和失重率進(jìn)行對(duì)比分析，隨著固相含量的減少，CuO/Al復(fù)合材料反應(yīng)放出的熱量也快速減少；隨著PTFE與Al質(zhì)量比從50:50變化到70:30，PTFE/Al復(fù)合材料的放熱量呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，在質(zhì)量比為60:40的時(shí)候具有最大的放熱量，約為7749.95 J/g。燃燒性能方面，CuO/Al復(fù)合材料的固相含量與打印線條的燃燒速率變化具有一定的相關(guān)關(guān)系，固相含量越大，燃燒速率越大。當(dāng)固相含量為95 wt%的時(shí)候，CuO/Al復(fù)合材料線條發(fā)生爆燃現(xiàn)象，因?yàn)榛鹧鎳娚涞木壒?，高速攝像機(jī)檢測(cè)不到火焰前沿，無法準(zhǔn)確計(jì)算其燃燒速率。與放熱性能一樣，PTFE/Al復(fù)合材料線條的燃燒速率也是隨著組分比例的增加先增大，后減小，在PTFE與Al質(zhì)量比為60:40的時(shí)候擁有最大的燃燒速率。另外，不論是CuO/Al復(fù)合材料，還是PTFE/Al復(fù)合材料，其線條的燃燒速率都是隨著表觀直徑的增加而增大的。

與軸向梯度結(jié)構(gòu)不同的是，徑向梯度藥柱采用的是不同形貌PTFE制備的PTFE/Al復(fù)合材料，分別為u-PTFE/Al、PTFE-x/Al、n-PTFE/Al復(fù)合材料。徑向梯度包括內(nèi)芯、夾層、外殼三個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)三種PTFE/Al復(fù)合材料。在梯度結(jié)構(gòu)的制備過程中，依據(jù)排列組合理論會(huì)出現(xiàn)六種不同的組合情況；在此基礎(chǔ)上為了對(duì)比復(fù)合材料有序排列與無序排列之間壓力輸出的差異，將三種PTFE/Al復(fù)合材料等質(zhì)量混合制備了同規(guī)格藥柱，每個(gè)藥柱包含的PTFE/Al復(fù)合材料的質(zhì)量為3.0g。

軸向梯度藥柱壓力輸出測(cè)試是在可視密閉爆發(fā)器內(nèi)進(jìn)行的，利用激光對(duì)梯度藥柱進(jìn)行觸發(fā)點(diǎn)火，并使用高速攝像機(jī)收集藥柱被點(diǎn)火之后的燃燒過程。另外，采用壓力傳感器對(duì)輸出壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器可承受的最大壓力范圍為5 MPa。徑向梯度藥柱壓力輸出測(cè)試是在密閉容器內(nèi)進(jìn)行的。將要測(cè)試的藥柱放置在密閉容器內(nèi)部的金屬坩堝內(nèi)，纏繞電阻絲使其與被測(cè)試藥柱上界面中心接觸，在通電的情況下電阻絲被加熱，從而點(diǎn)燃徑向梯度藥柱，利用20 MPa的壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)果分析。

PTFE/Al復(fù)合材料都能夠獲得輸出壓力，最大的壓力值分別為55.70KPa、64.08 KPa和62.03 KPa。復(fù)合材料的壓PA-6040獲得的壓力值最大，說明在相同質(zhì)量下，60:40的質(zhì)量比在反應(yīng)過程中釋放的氣體最多，反應(yīng)也更加完全。相對(duì)地，在質(zhì)量比為50:50或者70:30的時(shí)候，復(fù)合材料中參與反應(yīng)的兩種組分PTFE和Al當(dāng)中有一種組分是相對(duì)過量的，有部分的PTFE或者Al沒能參與反應(yīng)。從升壓速率來看，三種質(zhì)量比的PTFE/Al復(fù)合材料的升壓速率分別為1197.87 KPa/s、1210.14 KPa/s和1267.98 KPa/s。雖然升壓速率之間有較小的差異，大概為升壓速率的二十分之一左右，可以忽略不計(jì)。因此，三種質(zhì)量比的PTFE/Al復(fù)合材料的升壓速率沒有受到質(zhì)量比的影響。

軸向梯度壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)是一個(gè)帶有玻璃窗口的密閉定容爆發(fā)器內(nèi)進(jìn)行的，利用壓力傳感器收集梯度結(jié)構(gòu)的壓力變化，通過玻璃窗口拍攝梯度結(jié)構(gòu)燃燒過程。使用氟橡膠將測(cè)試藥柱粘接在金屬擺件上，將金屬擺件橫向放置，激光可以正面作用在藥柱頂端，而高速攝像機(jī)可以拍攝到整個(gè)藥柱的側(cè)面，從而記錄火焰從不同質(zhì)量比的復(fù)合材料之間的傳播變化情況。

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