周明月，王立民，梁導(dǎo)倫，王國祺，李 霽，陳 頔，張 燾

（1. 東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2. 國防科技大學空天科學學院，湖南 長沙410073；3. 內(nèi)蒙古動力機械研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；4. 東南大學MEMS 教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

0 引言

復(fù)合固體火箭推進劑廣泛用于各種戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、火箭和助推器等設(shè)備，具有密度大、比沖高、使用方便等優(yōu)點。復(fù)合固體推進劑燃燒過程中，其燃面的大小取決于藥柱端口的幾何形狀［1］。傳統(tǒng)的推進劑澆注制造工藝使用芯軸來制造藥柱端口，因此，端口形狀受限于芯軸的幾何結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)復(fù)雜形狀端口的成型，從而限制了推進動力性能的可控性和靈活性。增材制造又稱“3D 打印”，是指在計算機程序控制下連續(xù)形成材料層以創(chuàng)建物理對象而生成三維物體的過程［2］。通過將增材制造技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合固體推進劑制造領(lǐng)域，可有效突破傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)復(fù)雜形狀端口成型的瓶頸，并降低新型固體推進劑的開發(fā)成本［3］。

紫外光（UV）固化是增材制造技術(shù)中常用的輔助成型方法，具有成型較快、打印穩(wěn)定、表面粗糙度低、環(huán)境友好等優(yōu)點，同時可解決流動性材料的低溫打印成型等問題，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最為廣泛的增材制造技術(shù)之一［4］。

近十年來，國內(nèi)外研究學者針對基于紫外光固化成型的固體推進劑增材制造及推進劑內(nèi)部溫度監(jiān)測技術(shù)開展研究，已取得了一些進展。在可打印推進劑漿料方面，2012 年，南京理工大學邢宗仁［5］選擇史蒂芬酸鉛（LTNR）與自制UV 固化樹脂配制油墨進行了推進劑打印實驗，但受到UV 固化樹脂收縮的影響，打印到第4 層后樣件發(fā)生變形彎曲，難以進行下一層打印。2019 年，湖南大學崔敏［6］對聚氨酯丙烯酸酯（PUA）樹脂黏合劑體系配方及固體粉料在體系中分散性的影響因素進行了研究，結(jié)果表明使用50～200 μm 多種粒徑的固體粉料進行級配效果較好。2020 年，意大利都靈理工大學的Garinoa 等［7］對2 種使用紫外光固化黏合劑的打印推進劑樣品進行比較，驗證了基于無異氰酸鹽推進劑光固化成型的可行性，并發(fā)現(xiàn)Al 的存在不會嚴重影響光固化過程。2020 年，美國普渡大學的McClain 等［8］利用與端羥基聚丁二烯（HTPB）相似的光聚合物材料，結(jié)合高氯酸銨（AP）和Al 制備了一種光固化推進劑漿料并對其固化特性進行了定量研究，考察了紫外波長、曝光時間和紫外光強度對固化深度的影響規(guī)律。2021 年，西安近代化學研究所的Li 等［9］研制了一種含能光固化樹脂，實驗結(jié)果表明與惰性黏合劑相比，這種樹脂可使打印樣品的能量密度提高15%，并使其燃燒速率顯著提高。打印方法及樣品性能方面，2016 年，南京理工大學藺向陽等［10］發(fā)明了一種基于光固化的復(fù)合固體推進劑打印方法，在打印噴頭處照射紫外光，在打印過程中對漿料進行定點、連續(xù)的預(yù)固化。2017 年，美國普渡大學的Rhoads 等［11］發(fā)明了一種超聲振動打印法，可在低溫下打印粘度大于1000 Pa·s 的固體推進劑漿料。2019 年，McClain 等［12］分別采用HTPB 和UV 固化聚氨酯作為黏合劑制備推進劑漿料，然后使用這2 種漿料制備澆注及打印樣品，結(jié)果表明，澆注樣品和打印樣品燃燒速率基本一致，但打印樣品的孔隙率小于澆注樣品。此外，高溫會加速推進劑的老化進程，縮短推進劑的壽命，并降低使用安全性，因此溫度監(jiān)測是固體推進劑健康管理的重要環(huán)節(jié)［13-14］。通過對固體推進劑溫度進行實時監(jiān)測，可以了解推進劑的健康狀態(tài)，并為推進劑壽命預(yù)估［15］及其數(shù)學建模提供數(shù)據(jù)支持。目前，固體推進劑內(nèi)部溫度監(jiān)測的主要手段是植入界面應(yīng)力溫度傳感器、熱電偶或光纖傳感器等［16-17］。例如張燾等［18］在藥柱澆注前預(yù)埋光纖光柵（FBG）傳感器，實現(xiàn)了固體推進劑內(nèi)部溫度的實時、穩(wěn)定測量。

為實現(xiàn)固體推進劑打印過程的光固化，現(xiàn)有研究大多直接使用UV 固化樹脂代替原有黏合劑體系，這一方法無疑會降低推進劑的能量水平。此外，現(xiàn)有研究主要集中于漿料性質(zhì)及打印樣品性能的表征，而打印參數(shù)的系統(tǒng)研究較為缺乏，不利于打印樣品質(zhì)量的提高。推進劑內(nèi)部溫度監(jiān)測方面，現(xiàn)有的部分傳感器雖可以植入推進劑內(nèi)部并監(jiān)測溫度，但植入位置受到推進劑藥柱結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)澆注工藝的限制。針對以上現(xiàn)狀，本研究通過在傳統(tǒng)復(fù)合固體推進劑中加入部分UV 固化樹脂的方法實現(xiàn)推進劑樣品的打印，并對UV固化樹脂含量、打印配方及打印參數(shù)、打印樣品性能等關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究。在此基礎(chǔ)上，通過一體化增材制造的方式在推進劑樣品內(nèi)部植入電阻式溫度傳感器，測試了溫度傳感器材料與推進劑間的結(jié)合強度，并通過檢測傳感器電阻隨推進劑樣品溫度的變化規(guī)律驗證了其溫度監(jiān)測能力。研究結(jié)果可為復(fù)合固體推進劑的增材制造及其服役期間智能化健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

出于安全性考慮，本研究使用與AP 粒徑相近的惰性 填 料 碳 酸 鈣 代 替AP 進 行 實 驗［7，19］。碳 酸 鈣 分 解 溫度較高且不能燃燒，實驗安全性較好，同時使用粒徑與AP 相近的碳酸鈣也能較好地模擬采用AP 時漿料的混料及打印擠出等物理過程。

碳酸鈣，粒徑（體積平均徑）為33 μm，海凌峰化學試劑有限公司；Al，粒徑（體積平均徑）為10 μm，上海水田材料有限公司；HTPB，羥值為0.54～0.64 mmol·g-1，上海笛柏生物科技有限公司；異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），南京嬌子藤科學器材有限公司；己二酸二異辛酯（DOA），上海笛柏生物科技有限公司。己二醇二丙烯酸酯（HDDA），東莞市樟木頭佳桐塑膠原料經(jīng)營部；二苯基-（2，4，6-三甲基苯甲酰）氧磷（TPO），東莞市樟木頭佳桐塑膠原料經(jīng)營部；導(dǎo)電銀膠，深圳市鑫威新材料股份有限公司；對本次實驗采用的5 種低聚物依次編號，其中1#，2#，3#號均為丙烯酸樹脂，4#號是聚氨酯丙烯酸酯，5#號是環(huán)氧丙烯酸酯，粘度關(guān)系為4#＞1#＞2#≈3#≈5#，5 種低聚物的名稱及官能團詳見表1。

表1 低聚物名稱及官能團Table 1 Oligomer names and functional groups

采用自研擠出式3D 打印平臺（圖1）進行推進劑樣件打印，相關(guān)配套設(shè)備包括點膠機，空壓機；打印前采用深圳市思邁達智能設(shè)備有限公司生產(chǎn)的思邁達TMV-310TT 型真空攪拌脫泡機對漿料進行攪拌。

圖1 擠出式3D 打印平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of extruded 3D printing platform

1.2 樣品制備

進行上述5 種低聚物與HTPB 的相溶性實驗，根據(jù)黏合劑體系（參照文獻［20］設(shè)置為質(zhì)量比HTPB∶IPDI∶DOA=8∶1∶1）占 比15%～20%，UV 固 化 樹 脂 占 比3%～5% 的預(yù)期配方要求，對待測的5 種低聚物與HTPB 按質(zhì)量比1∶5 進行混合，攪拌均勻后放入臺式離心機中在1000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心。離心后若發(fā)生分層，說明該低聚物與HTPB 不相溶，不適用于后續(xù)推進劑漿料的配制。經(jīng)初步篩選后，為保證后續(xù)漿料的預(yù)固化性能，適當提高配方中UV 固化樹脂比例，對未分層體系再次按低聚物與HTPB 質(zhì)量比1∶3 重復(fù)上述實驗，確保二者的相溶性滿足使用需求，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2 可知，1#，2#，4#號低聚物與HTPB 按質(zhì)量比1∶5 混合離心后均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，3#號和5#號低聚物與HTPB 按質(zhì)量比1∶5 和1∶3 混合離心后均相溶。因此，選擇3#號和5#號低聚物進行UV 固化樹脂的試制，但由于3#號低聚物制得的UV 固化樹脂固化過程放熱嚴重，出于推進劑制備的安全性考慮，最終選擇5#號低聚物（環(huán)氧丙烯酸酯）制備UV 固化樹脂。按照UV 固化樹脂相關(guān)成分的經(jīng)驗配比［21］，最終確定UV 固化樹脂配方為5#號低聚物∶HDDA∶TPO=60∶35∶5（質(zhì)量比）。

圖2 相溶性測試結(jié)果（1#～5#是低聚物與HTPB，a 是黏合劑體系與UV 樹脂）Fig.2 Results of compatibility test（1#-5# represents oligomer/HTPB，while a refers to adhesive system/UV resin）

制備UV 固化樹脂后，將黏合劑體系與UV 固化樹脂按質(zhì)量比10∶3 混合進行離心，無分層現(xiàn)象，結(jié)果如圖2a 所示，說明UV 固化樹脂與黏合劑體系相溶性較好。

將UV 固化樹脂與復(fù)合推進劑的其他組分攪拌預(yù)混，然后放入真空攪拌脫泡機中進行混料，制得打印漿料。脫泡機采用四段時序混料，按運行順序，各段程序轉(zhuǎn)速，壓力及時間參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 脫泡機混料參數(shù)Table 2 Mixing parameters of defoamer

分別打印含或不含溫度傳感器的推進劑樣品。對于不含溫度傳感器的樣品，按照GJB770B-2005 中的規(guī)定進行打印，樣品外形及尺寸如圖3（實線）所示。打印流程為：打印邊框—紫外光預(yù)固化—打印內(nèi)部—紫外光預(yù)固化—下一層打印。對于含有溫度傳感器的樣品，其溫度傳感器材料為導(dǎo)電銀膠［22］，樣式為直線型，兩端各有一個矩形接線端子，植入位置為打印推進劑樣品中心沿水平方向，如圖3（虛線）所示。打印前先在移動平臺上固定一塊加熱板，待導(dǎo)電銀膠打印完成后，開啟加熱板電源（設(shè)置加熱溫度80 ℃，持續(xù)加熱3 min）使導(dǎo)電銀膠固化，再進行下一步打印。樣品打印完成后放入真空干燥箱，在70 ℃［23］下恒溫固化5 d，得到最終樣品。

圖3 打印推進劑樣品外形、尺寸及溫度傳感器植入位置Fig.3 Appearance and size of printed propellant sample and position of implanted temperature sensor

1.3 性能測試

漿料預(yù)固化時間測試：取適量漿料于稱量紙上，使用紫外線固化燈（405 nm）進行照射，待表面形成一層不粘玻璃棒的固化膜時，記錄漿料預(yù)固化時間。

Micro-CT 掃 描 測 試：采 用GE 產(chǎn)Vtomexs 型 微 米電子計算機斷層掃描儀（CT）對打印推進劑進行斷層掃描，掃描分辨率為20 μm。

拉伸測試：采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CMT6103 型萬能材料試驗機對打印推進劑進行拉伸測試，測試溫度為20 ℃與60 ℃，拉伸速率為100 mm·min-1。

溫度傳感器材料與推進劑間的結(jié)合強度測試：采用拉開法（ISO 4624-2016），具體步驟為：先在推進劑基底上涂覆一層導(dǎo)電銀膠，待其固化后在導(dǎo)電銀膠表面涂一層膠水，將其黏附在金屬基底上，然后利用萬能材料試驗機以1 mm·min-1的速率進行拉伸直至導(dǎo)電銀膠從推進劑上脫落，讀取最大的拉力值。測試示意圖如圖4 所示，導(dǎo)電銀膠涂覆面積為1 cm2。

圖4 結(jié)合力測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of bonding force test

打印推進劑樣品溫度與溫度傳感器電阻值測試：采用電加熱板對含溫度傳感器的樣品進行加熱，采用FLIR ONE PRO 紅外熱像儀測試溫度，同時采用優(yōu)利德UT620B 電阻測試儀測試不同溫度下溫度傳感器的電阻值。

2 結(jié)果與討論

2.1 UV 固化樹脂含量對預(yù)固化時間的影響

漿料預(yù)固化是指含UV 固化樹脂的漿料在紫外光照射下形成一層穩(wěn)定的、具有一定支撐能力的固化膜結(jié)構(gòu)的過程，該過程對打印樣品的維形性有較大影響。以固含量83%為預(yù)設(shè)值，探究了UV 固化樹脂含量對漿料預(yù)固化時間的影響，結(jié)果見表3。

表3 UV 固化樹脂含量對漿料預(yù)固化時間的影響Table 3 Effect of UV resin content on pre-curing time of slurry

由表3 可知，漿料預(yù)固化時間隨UV 固化樹脂含量增加而減小，當UV 固化樹脂含量不低于3%時預(yù)固化效果較好。圖5 所示為UV 固化樹脂含量為3%時的漿料預(yù)固化效果，當使用玻璃棒按壓紫外光照射15 s 后的漿料時，其表面形成一層膜狀結(jié)構(gòu)使得漿料向內(nèi)凹陷，抬起玻璃棒后，玻璃棒上無漿料粘連，可以滿足打印需求。而當UV 固化樹脂含量為2% 時，紫外光照射60 s 后漿料表面仍未形成固化膜，這是由于此時UV 固化樹脂含量過少，在漿料中難以形成完整的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。出于對實驗固含量變化范圍和預(yù)固化效果的綜合考慮，將UV 固化樹脂預(yù)設(shè)值擬定為4%。

圖5 漿料預(yù)固化效果圖Fig.5 Pre-curing effect of slurry

2.2 漿料配方與打印參數(shù)研究

為確定適合打印的固體推進劑漿料配方與打印參數(shù)，利用擠出實驗探究了不同漿料固含量和擠出壓力對擠出速率的影響規(guī)律。擠出實驗結(jié)果表明，漿料擠出難度隨固含量增大而增大。對于77%和80%固含量的漿料，可以用直徑為0.26 mm 的針頭順利擠出，但擠出速率較小，而當固含量達到81%及以上時，需選擇直徑為0.5 mm 針頭才能有較好的擠出效果。固含量及擠出壓力對擠出速率的影響實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 固含量及擠出壓力對擠出速率的影響Fig.6 Effects of solid content and extrusion pressure on extrusion rate

較高的固含量可以增大推進劑的能量密度，較快的擠出速率可以縮短打印制造周期，降低打印過程中漿料粘度變化對打印的影響［24］?；跀D出速率與固含量的關(guān)系實驗結(jié)果，在盡量不影響打印質(zhì)量的前提下兼顧樣品的能量密度，并充分考慮擠出過程的安全性［25］，最終選擇81%的固含量的漿料進行樣品打印，打印時UV 固化成型過程如圖7 所示，打印推進劑樣品配方如表4 所示，打印參數(shù)如表5 所示。

表4 打印推進劑樣品配方Table 4 Formulas of printed propellant sample

表5 推進劑樣品打印參數(shù)Table 5 Printing parameters of propellant sample

圖7 UV 固化成型Fig.7 UV curing

在上述參數(shù)下進行推進劑樣品打印，打印樣品如圖8 所示。從外觀上看，打印推進劑樣品成型較好，無坍塌，打印層紋清晰。同時，觀察到固化后表面不太平整，說明打印樣品后固化過程有一定收縮，這與黏合劑體系的固化機理［26］有關(guān)：UV 固化樹脂［21］與黏合劑體系固化時均發(fā)生聚合反應(yīng)，分子間距離由未固化前的范德瓦爾斯力作用距離變?yōu)楣袒蟮墓矁r鍵鍵長，分子間距離大幅變化導(dǎo)致聚合固化過程中產(chǎn)生體積收縮。此外，在固化過程中，分子由黏流態(tài)的雜亂無章堆砌變?yōu)橛行虺潭容^高的分布，使分子排列緊密，固化后體積減?。?7］。從整體上看，打印推進劑樣品結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變形，說明打印漿料固化收縮對打印推進劑結(jié)構(gòu)影響不大。

圖8 打印推進劑樣品外觀Fig.8 Appearance of printed propellant sample

2.3 打印推進劑樣品微觀結(jié)構(gòu)分析

打印推進劑樣品CT 掃描結(jié)果如圖9 所示，國外相關(guān)研究中的復(fù)合固體推進劑打印和澆注樣品CT 掃描結(jié)果如圖10 所示。與國外未采用UV 固化的打印樣品（圖10a）［12］相比，本研究打印推進劑樣品兩側(cè)無明顯外凸，維形性有顯著提升。與國外澆注樣品（圖10b）［12］相比，本研究打印推進劑樣品孔隙呈片狀結(jié)構(gòu)，長度大多為1～3 mm，寬度為0.5 mm 左右，而國外澆注樣品中孔隙呈球形結(jié)構(gòu)，直徑小于0.5 mm。盡管本研究打印推進劑樣品的孔隙尺寸相對較大，但其孔隙密度僅為23 個/cm2，而國外澆注樣品的孔隙密度高達930 個/cm2，孔隙密度明顯大于本研究打印推進劑樣品。

圖9 打印推進劑樣品不同截面CT 掃描結(jié)果Fig.9 CT scan results of different sections of printed propellant sample

圖10 國外研究中的復(fù)合固體推進劑打印樣品（a）和澆注樣品（b）的CT 掃描結(jié)果［12］Fig.10 CT scan results of composite solid propellant in oversea research：（a）printed sample and（b）casting sample［12］

本研究打印推進劑樣品中的孔隙呈明顯的片狀結(jié)構(gòu)，紋理按水平方向分布。這是由于打印過程中光固化使每一層漿料表層固化，會對不同打印層間在后續(xù)熱固化過程中的交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用，致使打印層之間的交聯(lián)密度減小，結(jié)合力減弱。而在后期熱固化過程中每一層漿料內(nèi)部黏合劑體系固化收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致打印層與層之間發(fā)生分離，進而產(chǎn)生這些沿打印層間分布的孔隙。觀察還發(fā)現(xiàn)靠近上下表面兩側(cè)的2 到3 層打印厚度中孔隙數(shù)量明顯減少，這是由于靠近外部兩側(cè)，固化產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可以通過表皮的彎曲部分抵消。從圖8 和圖9 可以看出，上下部分表皮附近幾層發(fā)生了輕微彎曲?？紫兜拇嬖跁ν七M劑性能產(chǎn)生不利影響，例如降低推進劑能量密度，使推進劑燃燒速率不穩(wěn)定和干擾發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場、內(nèi)壓強等［28］。今后將會在打印工藝上進行改進，以期解決打印推進劑產(chǎn)生孔隙的問題。

2.4 打印推進劑樣品拉伸性能分析

為研究打印推進劑樣品的力學性能，分別在20 ℃和60 ℃環(huán)境下對打印推進劑樣品進行拉伸測試，結(jié)果如表6 和圖11 所示。

表6 打印推進劑樣品力學性能參數(shù)Table 6 Mechanical property parameters of printed propellant sample

圖11 打印推進劑樣品拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Tensile stress-strain curves of printed propellant samples

從表6 可知，環(huán)境溫度由20 ℃增加到60 ℃時，樣品的拉伸強度減小了25.5%，斷裂伸長率減小了6.4%，彈性模量減小了48.0%，說明溫度升高對樣品的力學性能有不利影響。根據(jù)文獻［29］報道，傳統(tǒng)澆注復(fù)合固體推進劑在20 ℃條件下，相同拉伸速率下的拉伸強度和斷裂伸長率分別為σm=0.76 MPa 和εb=36.4%。相比之下，本研究打印推進劑樣品的拉伸強度比傳統(tǒng)澆注復(fù)合推進劑大23.7%，但斷裂伸長率小57%。造成這一結(jié)果的可能原因有3 點：①固化參數(shù)是指配方中異氰酸酯基與羥基物質(zhì)的量的比值，其對推進劑的力學性能有一定影響，經(jīng)計算本研究采用的漿料配方固化參數(shù)為1.88，處于一個較高的水平，這使得羥基的固化反應(yīng)進行的較為完全，固化物的交聯(lián)密度較大，這會阻礙高分子鏈段的滑移，從而使得斷裂伸長率較小，此外，多余的固化劑還會與體系中可能存在的水發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的脲會使推進劑彈性降低，斷裂伸長率減?。?0］；②漿料中所添加的UV 固化樹脂自身性質(zhì)對樣品力學性能有一定影響；③CT 掃描顯示該樣品內(nèi)部存在孔隙，拉伸時由于孔隙處力學性能較弱，也可能導(dǎo)致樣件的斷裂伸長率降低。

由圖11 可知，打印推進劑樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線包含彈性段、“脫濕”損傷段、應(yīng)力平臺段和破壞段4 個階段［31-32］。在應(yīng)變小于8%左右時，曲線處于彈性段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大線性增大，樣品表現(xiàn)出典型的彈性體特征，此時樣品的應(yīng)變主要是由交聯(lián)分子鏈段伸長所致。在應(yīng)變?yōu)?%左右時，樣品發(fā)生“脫濕”［33］，即樣品中固體填料顆粒與黏合劑基體間發(fā)生分離，細觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，此后應(yīng)力-應(yīng)變曲線不再保持線性變化，其斜率逐漸減小。拉伸到一定程度時，隨著應(yīng)變增大，應(yīng)力幾乎保持不變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個類平臺段。與傳統(tǒng)澆注的復(fù)合固體推進劑相比，樣品應(yīng)力平臺段明顯縮短［34］，這也是導(dǎo)致斷裂伸長率減小的直接原因。

2.5 打印推進劑樣品溫度傳感器性能分析

溫度傳感器材料與推進劑間的結(jié)合強度對與傳感器的功能及植入傳感器后推進劑的力學性能有一定影響。首先，結(jié)合力的大小直接影響傳感器材料與推進劑間的導(dǎo)熱熱阻，從而會對溫度傳感器的響應(yīng)時間和測試結(jié)果產(chǎn)生影響。其次，若傳感器材料與推進劑間結(jié)合力太小，服役過程中還易產(chǎn)生裂紋缺陷，會導(dǎo)致推進劑的力學性能下降。因此，采用拉開法對溫度傳感器材料與推進劑間的結(jié)合力進行了測試，結(jié)果如圖12所示。測試過程中最大拉力為21.02 N，得到傳感器材料與推進劑間結(jié)合強度為0.21 MPa，結(jié)合效果良好。

圖12 傳感器材料與推進劑結(jié)合力測試曲線Fig.12 Bonding force test curve of sensor and propellant

植入溫度傳感器后的打印推進劑樣品外觀如圖13 所示，其中兩端設(shè)計了接線端子以方便后續(xù)電阻測量。

圖13 植入溫度傳感器的打印推進劑樣品外觀：（a）溫度傳感器層；（b）樣品整體外觀Fig.13 Appearance of printed propellant sample with temperature sensor：（a）temperature sensor layer；（b）overall appearance of sample

由圖14 可知，在測試范圍內(nèi)，樣品中溫度傳感器的電阻隨溫度基本呈線性變化，這與導(dǎo)電銀膠的導(dǎo)電規(guī)律相吻合［35］。隨溫度升高，導(dǎo)電銀膠電阻增大，這是由于導(dǎo)電銀膠內(nèi)部的黏合劑體積增大，導(dǎo)致粒子間導(dǎo)電間隙增大，可通過的電子減少所致。

圖14 電阻隨溫度變化關(guān)系Fig.14 Resistance versus temperature

2 個樣品擬合出的電阻隨溫度變化的線性方程斜率 分 別 為K1=5.25×10-3，K2=5.13×10-3，相 對 誤 差 為2.3%，可見測試結(jié)果重復(fù)性良好，可以用于溫度監(jiān)測。取斜率平均值5.19×10-3，得到該溫度傳感器電阻隨溫度變化的擬合函數(shù)為：

式中，T為溫度，K；RT為溫度為T時傳感器的電阻值，Ω；截距m取決于所打印溫度傳感器的長度及橫截面積，受導(dǎo)電銀膠擠出速率和在傳感器打印層流平過程的影響（見圖13），表現(xiàn)為不同溫度傳感器在室溫下的固有阻值區(qū)別，打印傳感器橫截面積越大，m越大；傳感器長度越長，m越小。

3 結(jié)論

進行了復(fù)合固體推進劑增材制造技術(shù)的相關(guān)實驗研究，并將電阻式溫度傳感器植入到打印推進劑樣品中，實現(xiàn)了復(fù)合固體推進劑與電阻式溫度傳感器的一體化增材制造，主要結(jié)論如下：

（1）研制了一種與黏合劑體系相溶的UV 固化樹脂，當推進劑漿料固含量為83%時，配方中UV 固化樹脂添加量不低于3%時即可得到較好的預(yù)固化性能。綜合考慮打印質(zhì)量、能量密度和擠出過程安全性，選擇固含量為81%的漿料配方進行推進劑樣品打印，得到的打印推進劑樣品成型較好，未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)坍塌或變形，驗證了基于光固化成型的增材制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合固體推進劑制造領(lǐng)域的可行性。

（2）打印推進劑樣品的拉伸測試結(jié)果表明，20 ℃時樣品的拉伸強度和斷裂伸長率分別為0.94 MPa 和15.63%；60 ℃時則分別為0.70 MPa 和14.63%。與傳統(tǒng)澆注制造的復(fù)合固體推進劑相比，20 ℃時樣品的拉伸強度增大23.7%，但斷裂伸長率減小57%。樣品孔隙在打印層之間呈片狀結(jié)構(gòu)，紋理按水平分布，與傳統(tǒng)澆注推進劑相比，孔隙數(shù)量明顯減少且未形成球形孔隙，但單個孔隙體積增大。

（3）結(jié)合力測試結(jié)果表明，溫度傳感器材料與推進劑之間的結(jié)合強度為0.21 MPa，結(jié)合效果良好。在測試范圍內(nèi)，溫度傳感器的電阻與溫度基本呈線性關(guān)系（擬合函數(shù)為：RT=5.19×10-3T+m），表明該電阻式溫度傳感器具備良好的溫度監(jiān)測能力。研究證明了復(fù)合固體推進劑與電阻式溫度傳感器一體化增材制造的可行性，為實現(xiàn)增材制造固體推進劑服役期間的智能化健康監(jiān)測提供了一種技術(shù)途徑。