原来的：

李晨阳戴上防毒面具，小心称出0.465克无定形硼，加入1.395克硝酸钾，加入到聚偏氟乙烯（PVDF）粘合剂溶液中。混合均匀后，膏状药物从视觉3D打印设备中挤出。在高速摄像机的见证下，他拍下了这些充满能量的药丝一根一根燃烧的瞬间，耀眼的光芒一次又一次照亮了整个实验平台。他将这个场景重复了数百次。

李晨阳，华北大学环境与安全工程学院兵器科学与技术专业博士研究生。他首次采用3D微笔直写技术，实现了高固含量硼/硝酸钾（BPN）引火粉含能墨水的集成可控构建。他研究了其在线性积分状态下的化学能量释放规律，揭示了含能墨水。组件之间的能量耦合机制决定了BPN含能药物线“组装-结构”双路径的反应性控制方法，为微米尺寸内药物能量释放的控制和微能量器件的反应性研究提供了参考。数组。

该研究发表在《化学工程杂志》上题为“Reactivity adjustment of B/KNO3/PVDF energy Sticks Preparation by direct inkwriting”的论文中。华北大学为论文唯一单位，安崇伟教授为论文通讯作者。该论文是华北大学博士生作为第一作者在该领域发表的第一篇高水平学术论文。

李晨阳利用3D打印设备对含能墨水进行定制成型。照片由受访者提供

探索能量释放规律

化学能是储存在物质中的能量。一类含有爆炸性基团或氧化剂和可燃物，能独立进行化学反应并输出能量的物质，称为含能材料。该材料具有能量密度高、能量释放功率大的特点，已成为航空航天、工程爆破、军事毁伤等领域的重要材料基础。要实现含能材料的精细化、多功能化应用，其能量释放的可控调控是当务之急。只有可控可调的能量释放才能满足不同领域的应用需求。

从小卫星的姿态调整到汽车安全气囊，硝酸硼/硝酸钾在生活中无处不在。硼是燃料，硝酸钾是氧化剂。它们形成的组合是世界上使用最广泛和最常见的化学品。能源材料。

点火药是一种分子间高能复合物，含有丰富的化学能，通常用作起爆序列中的起爆药。它不需要像弹头使用的火药那样“敏感不安”，也不必太“缓慢”。硝酸硼/硝酸钾比狂躁而危险的CL-20、RDX、Octogen“温和”，能产生的气体喷射热值高，机械灵敏度高，燃烧速度适中，正好满足点火药的要求。

自从硝酸硼/硝酸钾被用于点火药以来，科学家们的研究重点仅限于药物配方、性能表征等，而缺乏对如何精确控制的深入探索。近年来，利用含氟聚合物的含量和组成来调控含能材料的反应活性已成为主流研究方向。李晨阳课题组利用物理阵列或几何结构实现化学能的释放，这也成为调控含能材料反应性的主要研究方向。物质反应的有效手段。这些研究利用高能复合反应产生的气体对流和热量，或热粒子的平流来优化能量输出，并使用线性燃烧速率来测量建筑结构的反应性。

华北大学博士生李晨阳表示，这项研究尚未应用于硝酸硼钾，其能量释放调控机制尚未被揭示。在这个经典的配方中，硼比其他活性金属具有更高的体积能量密度和质量能量密度，而且这种“温和”的配对比其他活性金属/氧化物组合更安全、更稳定。因此，研究硝酸硼/钾的能量释放机制具有长期的示范意义。

未来，李晨阳还希望以点火药为能源，通过更精准的能量控制，实现声、光、电、力、热等多种能源的转换。通过调节点火剂的能量强度，改变电信号或光信号的强度，从而传输信号。

含能材料定制成型

含能材料的能量释放一直受到广泛关注。然而，粉末基含能材料的能量释放规律并不完全适用于集成含能材料。无论是铸造还是压制成颗粒柱，一体化状态下的含能材料与其原始粉末形态有很大不同。首先需要实现含能材料的集成，然后研究其能量释放规律。

2021年开始，以控制硝酸硼/硝酸钾的反应活性为目标，李晨阳进行了极小规模的实验。

例如，如果要制造直径为1毫米的圆柱形火药，则需要一个用于容纳粉末状硼和硝酸钾药物的容器。您需要将它们填充到容器中，还需要使用压机或螺旋方法将粉末装入。在这个过程中难免会出现一些错误。损耗大，密度均匀不易操作。李晨阳表示，要实现点火后毫秒级的延迟，精确控制燃烧时间，对误差非常敏感。即使制造出了规定形式的点火药，当遇到特定的特性和特定的结构场景时，将火药装入微型装置时，传统的压力装填模式根本不起作用。

“形状和密度这两个难点其实可以通过3D打印来实现。”李晨阳利用微笔直写技术，创造出一种理想的火药线，他们称之为能量粉线。首先，将硼和硝酸钾按特定比例进行匹配，然后使用聚偏二氟乙烯（PVDF）作为粘合剂。 3D打印机在设定的程序下打印出各种形状的网络结构，不受形状或结构的限制。 ，并能保持内部结构密度均匀，网络电荷大大提高了印棒的燃烧稳定性。

其中，粘结剂是核心关键，起到粘结、润滑、阻燃或助燃的作用。当使用聚偏二氟乙烯（PVDF）作为粘合剂时，燃烧产生氟化氢气体和其他氟碳碎片，也可以剥落印杆外层非常顽固的惰性氧化层。

论文通讯作者华北大学安崇伟教授课题组长期致力于含能材料3D打印技术研究，特别是微米级传播序列电荷的研究，是该领域的开拓者。含能材料领域。他表示，虽然将3D打印技术应用于含能材料并不新鲜，但通过3D打印构建阵列结构并从结构-活性角度控制含能材料的能量释放特性并不常见。此外，我们对含能材料的印刷和成型也不满意。未来，我们希望将含能阵列应用于含能器件，利用3D打印设备实现含能阵列、器件外壳、点火单元等集成器件制造。

传统散装火药和火药一体化火药生产线在各方面都存在巨大差异。研究对象发生了变化，研究过程也发生了很大差异。印刷棒开辟了调节含能材料能量释放的新领域。

烧得多快我有最终决定权

线性燃烧速率是研究点火药最重要的指标。由于制造工艺的限制，理想的化学反应条件在现实中几乎不存在。为了找到规律，必须重复多次实验。李晨阳在装有拍摄窗的防爆箱内进行了燃烧实验，并通过速度为2000帧/秒的高速摄像机捕捉到了样品在空气中的燃烧过程。

实验表明，在保持油墨稳定性和印杆结构完整性的前提下，当颗粒负载量为93wt%（硝酸硼钾的质量比例，其余物质为粘结剂）时，线燃速率每秒可以达到60毫米，此时印刷棒的反应性最好。随后，颗粒负载率（硝酸硼钾的质量比例）从97wt%下降到85wt%，印棒的线燃烧速度从126.34毫米/秒下降到28.12毫米/秒。

“这个速度在点火药中并不算太快，我们不追求极端的指标，而是更注重对燃烧过程的控制和观察。”李晨阳表示，粘结剂越多，线性燃烧速度越慢。当粘结剂减少时，燃烧速度会增加，但成型效果会变差。可根据需要综合调整，烧录速度可自行决定。

李晨阳还从数据中推断出，印棒的线性燃烧速率对燃氧比表现出很强的依赖性。一般来说，按化学计量比配比硼和硝酸钾，理论上是最高效、最剧烈的化学反应。硼和硝酸钾在燃烧完成后都会消失。李晨阳表示，现实与理论并不相符。我们通过数据发现，由于硼的活性因素，稍微浓一点的燃料配方（即硼多一点）的燃烧效率更高。

不容易得出点火粉丝的线燃烧速度约为60mm/s。为了获得准确的数据，李晨阳进行了多次实验，但仍无法确认观测数据的上下幅度到底是操作失误还是本身的误差。配方和生产工艺问题。 “当时我重复的次数太多，一直没有稳定在60mm/s的数字，教练怕我发疯，认为我太认真了。”李辰阳回忆道。

李晨阳表示，能量药丝有一个临界尺寸。当超过这个尺寸时它就会燃烧。如果低于该尺寸，则燃烧无法继续进行。因此，研究燃烧速度和制定含能药丝的粗细是控制燃烧的关键。这是他在实验中最重要的发现之一。印棒的燃烧速度具有明显的尺寸效应。所有燃烧都必须在厚度范围内进行研究。当厚度小于110μm时，燃烧不能稳定地进行。当厚度在750μm~1400μm（微米）之间时，燃烧速率-厚度曲线呈现平台效应，燃烧速率始终稳定。

除了聚偏氟乙烯（PVDF）之外，研究团队还引入了HPMC（羟丙基甲基纤维素）和PVA（聚乙烯醇）等多种高分子材料。目前，炸药、推进剂、纳米粉体、铝热剂等含能材料一体化。

此外，通过能量结构控制点火药丝的燃烧速率是李晨阳的另一个重要发现。它建立了药物线通道之间的能量耦合，这对于能量阵列中能量释放的调控具有重要意义。研究团队的研究在该领域处于国内前沿。

安崇伟表示，将3D打印技术应用于含能材料领域只是手段，探索规律才是初衷。

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