为应对武器弹药远程化、小型化的发展，固体火箭发动机广泛采用大长径比和高装填比装药，发动机初始自由容积小，推进剂多为端面燃烧。传统点火装置基于高温高压燃气点燃装药，需要在燃烧室中预留较大空间，制约了装填比的提升。纳米铝热含能复合薄膜属于亚稳态分子间复合物，由可发生铝热反应的组元材料构成，在外界能量激发下能够发生自蔓延放热反应，具有高能量密度特征，在火工品领域主要作为局部高温热源应用于点火及起爆装置的初始电热或电爆换能元。
3D 墨水直写打印是一种材料适用性广、精度高、成本可控的增材制造技术。相较于其他制造技术，配制成墨水的材料在储存与制备过程中具有更高的安全性与可控性，使其在含能薄膜制备领域具备独特优势。已有研究通过 90% 负载量 Al/CuO 纳米铝热剂油墨、95% 负载量 Al/Pb₃O₄ 纳米铝热剂墨水，分别获得了可控线性燃速与高达 1960 J·g⁻¹ 的放热量。本文面向低初始自由容积的端面燃烧发动机，提出零空间平面点火的含能薄膜点火技术，采用 3D 墨水直写打印制备三种配比的 Al/CuO/PVDF 纳米铝热含能薄膜。
图1（对应原文 Fig.1）：活塞推动式打印喷头的 3D 墨水直写打印机，由软件控制系统、电动位移平台控制器与三维运动平台组成，热台设定 70 ℃ 用于溶剂挥发固化。
体系选取 Al/CuO/PVDF 纳米铝热剂：Al/CuO 纳米铝热剂为主体材料提供高能量输出，PVDF 作为粘结剂改善力学性能，并与纳米 Al 粉发生预分解反应以降低点火温度，溶剂选用 DMF。Al/CuO 当量比 Φ 定义为实际质量比与化学反应质量比之比，受纳米 Al 表面氧化层影响，实验测得有效活性铝含量为 61.8%，据此设定 Al 与 CuO 当量比为 2（实际质量比约 0.45）。在此基础上设计三种配方，总固含量中 Al、CuO、PVDF、DMF 分别约为 9.0/19.8/1.2/70（F1）、8.8/19.4/1.8/70（F2）、8.6/19.0/2.4/70（F3），即随 F1→F3 逐步增大 PVDF 粘结剂含量。
打印实验在活塞推动式 3D 直写打印机上完成，关键工艺参数为：热台温度 70 ℃，针头内径 0.62 mm，墨水挤出速度 5 μL·s⁻¹，打印速度 10 mm·s⁻¹，层高 15 μm，共打印 10 层，薄膜总厚 150 μm。燃速测试采用连续激光器（功率密度 182.4 W·cm⁻²）点火，配合聚焦镜与帧率 10 000 fps 的高速摄像机记录燃烧波阵面位移，由此计算线性燃速。
图2（对应原文 Fig.2）：含能薄膜燃速测试装置示意图，由连续激光器、聚焦镜、高速摄像机与薄膜样品组成，用于测定线性燃速。
三种含能墨水的黏度随剪切速率升高而下降，表现为假塑性流体，具有典型剪切变稀特征。在同一剪切速率下，黏度由小到大依次为 F1、F2、F3，与配方中 PVDF 含量呈正相关。静置时较高的黏度可减缓纳米固体粉末沉降、保证体系均一性；打印过程中剪切变稀则有利于墨水在细小针头内顺畅流动，因此三种配方均适用于 3D 直写打印。
在 70 ℃ 热台上缓慢挥发溶剂、固化后获得典型 Al/CuO/PVDF 纳米铝热含能薄膜。所得薄膜表面平整致密，未出现层间分离或变形，表现出较高的结构强度与稳定性，说明 15 μm × 10 层的累积打印策略能够稳定复现设计厚度。
图3（对应原文 Fig.3）：三种纳米铝热剂体系含能墨水黏度随剪切速率的变化，均呈剪切变稀，黏度随 PVDF 含量递增。
图4（对应原文 Fig.4）：采用 3D 墨水直写打印获得的典型 Al/CuO/PVDF 纳米铝热含能薄膜样品，表面平整致密、层间结合良好。
三种配方薄膜的表观质量较好，微观孔洞直径不超过 1 μm，截面较为完整、未出现分层，实测总厚度为 162–169 μm，与设计厚度 150 μm 接近，表明薄膜层间结合强度较高。Mapping 图像显示 O、F、Al、Cu 等元素分布均匀，说明 PVDF、Al 及 CuO 在薄膜各位置均匀分布，未出现团聚。这一均匀性对维持可控的铝热反应与稳定的燃烧传播至关重要。
图5（对应原文 Fig.5）：三种配方含能薄膜的微观形貌及 Mapping 图像，元素分布均匀、无明显团聚，截面完整。
TG-DSC 测试表明，升温初期三种配方质量均有所下降，源于 PVDF 受热分解释放氟原子及含氟气体，并与 Al 及其表面 Al₂O₃ 发生反应。三种配方均存在两个放热峰：第一放热峰起始温度约 260 ℃，对应 PVDF 分解产生的游离态氟原子与 Al 粉及氧化层发生预点火反应并释放大量热；第二放热峰来自 Al 与 CuO 的铝热反应，随着 PVDF 含量增多，Al/CuO 起始放热温度由 417 ℃ 经 432 ℃ 延迟至 450 ℃，积分放热量由 692.17 J·g⁻¹ 降至 422.67 J·g⁻¹ 再降至 240.53 J·g⁻¹，说明过量 PVDF 会降低铝热反应放热性能。
自动量热仪测得 F1 至 F3 热值由 9872 J·g⁻¹ 经 8827 J·g⁻¹ 降至 8561 J·g⁻¹，与 DSC 趋势一致，即 PVDF 率先与 Al 反应消耗了主体铝热反应能量，使整体热值随粘结剂含量升高而降低。这一结果为后续点火延迟的“非单调”现象提供了物理解释。
高速摄影显示三种配方均在约 28 ms 出现火焰，说明 PVDF 含量对薄膜着火时间影响有限，预点火反应由 PVDF 与 Al₂O₃ 的反应主导。随 PVDF 含量增加，燃速由 723.21 mm·s⁻¹ 经 180.95 mm·s⁻¹ 降至 46.42 mm·s⁻¹，过量 PVDF 抑制了火焰传播，与热性能趋势一致。
点火匹配试验采用镍铬桥丝式发火元件引燃贴附在推进剂底部的含能薄膜，推进剂为丁羟复合推进剂方坯（约 15 mm × 15 mm × 3 mm，燃速约 30 mm·s⁻¹）。初步试验验证三种配方均能点燃推进剂方坯。以薄膜着火到推进剂被点燃的时间定义为点火延迟，配方 F2 的点火燃烧过程显示，含能薄膜被正常引燃后约 110 ms 点燃推进剂方坯并进入自持燃烧。
图6（对应原文 Fig.8）：三种配方含能薄膜燃烧过程的高速摄影图像，三种配方均在约 28 ms 出现火焰，燃速随 PVDF 含量升高而降低。
图7（对应原文 Fig.9）：配方 F2 含能薄膜与固体推进剂点火匹配燃烧过程的高速摄影图像，薄膜引燃后约 110 ms 点燃推进剂方坯。
三次重复试验的点火延迟统计显示，由 F1 到 F3 点火延迟先降后升：配方 F2 点火延迟最小，平均值 107 ms（标准偏差 4.7 ms）；F1 最大，平均值 187 ms（标准偏差 9.4 ms）；F3 居中，平均值 140 ms（标准偏差 8.2 ms）。点火延迟与放热量、燃速并非简单正相关——最低点火延迟出现在“合适的燃速”下：燃速过快（F1）导致热积累不足、难以支撑热点生长，燃速过慢、放热量偏低（F3）则使推进剂表面热点数量少、不利于快速建立自持燃烧。该结论对含能薄膜点火元件的配方窗口选取具有直接指导意义。
本文基于 Al/CuO/PVDF 纳米铝热体系，采用 3D 墨水直写打印制备了三种粘结剂含量的 150 μm 含能薄膜，系统表征其微观形貌、热性能与燃烧性能，并与固体推进剂开展点火匹配试验。结果表明薄膜结构完整、组分分布均匀，PVDF 含量与放热量及燃速呈负相关，配方 F2 取得最小点火延迟（平均 107 ms），说明最低点火延迟出现在合适的燃速窗口而非单纯的最高放热或最快燃速。
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