文献解读｜HMX/Al基高黏度浇注PBX浆料的流变特性与可打印性研究

一、材料体系与配方设计

研究采用的材料体系包括：（1）HMX（奥克托今）为主炸药，平均粒径约 20–50 μm；（2）球形铝粉为金属燃料，分别选用 1 μm、5 μm 和 15 μm 三种规格；（3）端羟基聚丁二烯（HTPB）为液态预聚物基体；（4）异氰酸酯固化剂与 UV 光引发剂实现双重固化。实验设计了 A/B 两组配方矩阵：A 组固定 HMX/Al 质量比改变总固含量（75%–88%）；B 组固定总固含量改变 Al 粉粒径组合（单峰/双峰级配）。

图1（对应原文 Fig.2/3）：HMX（上）与 Al 粉（下）的粒径体积分布直方图及对应的 SEM 微观形貌，HMX 呈不规则多面体晶型，Al 粉为近球形。

二、流变行为的核心发现

旋转流变仪测试揭示了三个关键特征：

（1）剪切稀化行为。所有配方的浆料均呈现显著假塑性流体特征：低剪区黏度高达 10⁵–10⁸ Pa·s；升至 10–100 s⁻¹（DIW 挤出典型剪切范围）时黏度下降 2–4 个数量级。这种强烈剪切稀化是 DIW 可实施的前提——喷头内高剪时流动性良好，挤出后迅速恢复高黏度保持形状。

（2）屈服应力与触变性。流变滞后环测试表明高固含量浆料具有明显屈服应力（10–500 Pa）和时间依赖性结构恢复行为。固含量从 75% 提升至 88%，屈服应力增大约一个数量级，触变环面积扩大 3–5 倍。

（3）铝粉粒径的级配效应。双峰级配（粗细 Al 粉混合）相比单峰分布展现出更优综合流变性能：细粉填充粗粉间隙提高堆积密度，同固含量下表观黏度降低约 30%–40%，与 Andreasen 最密堆积理论预测趋势一致。

图2（对应原文 Fig.5）：A/B 两组各配方在不同混合时间（5/6/7 h）下的剪切黏度随剪切速率变化曲线，清晰展示强烈剪切稀化行为及混合时间的影响。

三、混合时间的优化窗口

对比 5/6/7 小时三种混合时长下的流变参数演变：5 小时仍有未分散团聚体，重复性差（标准偏差 >15%）；6 小时团聚体基本消除，批次间差异降至 5% 以内；7 小时改善有限但长时间剪切可能导致 HMX 晶体破碎和聚合物链降解风险上升。综合效率与质量，6 小时被确定为最优混合时间窗口。

图3（对应原文 Fig.8）：A/B 各配方的蠕变-恢复测试中剪切应变随时间演化（上排 Creep 阶段，下排 Recovery 阶段），红色数值标注了最终恢复应变百分比。

四、可打印性窗口的四维判据

基于 DIW 工艺的流变学要求，研究提出了"可打印性窗口"的四维判据框架：

• 黏度上限：10 s⁻¹ 下 < 10⁶ Pa·s（避免挤出压力过大导致设备过载或喷堵）
• 黏度下限：0.1 s⁻¹ 下 > 10⁴ Pa·s（保证挤出后丝材不发生重力坍塌）
• 屈服应力范围：20–300 Pa（兼顾形状保持性与层间融合能力）
• 恢复时间：触变结构恢复至 90% 初始模量的时间 < 30 s（保证连续层间堆积节奏）

在上述约束条件下，A₃ 和 B₂ 两组配方表现最优——满足所有流变门槛的同时实现了最高固含量（≥84%）。

图4（对应原文 Fig.8）：A/B 各配方的剪切应变-剪切应力屈服曲线，黄色虚线标注了各配方的动态屈服应力 τd 值（6–611 Pa）。

五、UV 固化成型验证

采用 405 nm UV 光源（光强 15 mW/cm²，层间曝光 3–5 s）进行 DIW 成型验证。打印样件包括单壁管状结构、蜂窝点阵结构和实心圆柱体三类典型几何体。结果表明优化后的浆料可实现连续稳定挤出超过 20 分钟无堵塞，成型件尺寸偏差控制在 ±3% 以内，层间界面光学显微镜下无明显缺陷。固化后样件密度达 TMD 的 96%–98%，爆轰速度与传统浇注工艺相当。这标志着 HMX/Al 基浇注 PBX 的 3D 打印技术路线已具备从中试走向工程放大的基础条件。

图5（对应原文 Fig.7）：A/B 两组各配方的蠕变柔量（Compliance）随时间变化曲线，展示 Creep 与 Recovery 阶段的柔量演化行为及结构恢复特性。

图6（对应原文 Fig.11）：不同喷嘴直径（0.5 mm / 1 mm / 2 mm）下 DIW 打印丝材的截面 SEM 形貌，展示层间融合质量随喷嘴尺寸的变化。

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