含能材料增材制造技術的研究現狀與展望

肖 磊，郝嘎子，郭 銳，柯 香，張光普，胡玉冰，周 昊，王蘇煒，姜 煒

(1.南京理工大學 化學與化工學院 & 國家特種超細粉體工程技術研究中心，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.安徽科技學院，安徽 蚌埠 233100)

引 言

含能材料，廣義上指在沒有外界參與下，獨立進行化學反應并在短時間內釋放巨大能量，產生高溫、高壓、光、煙等效應的亞穩態化合物或混合物[1-2]。根據作用原理和應用領域的區別，通常所指的含能材料主要包括炸藥(起爆藥、猛炸藥等)、火藥(發射藥、推進劑等)以及煙火劑(照明劑、燃燒劑等)等火炸藥[3]。作為火箭發動機、彈藥戰斗部、槍炮等武器裝備作功的能量來源，含能材料是武器系統實現“遠程打擊、高效毀傷”的核心組成，因此含能材料的制造成型技術是現代化武器裝備發展的重要支撐。

目前軍工企業中采用的含能材料制造技術主要有澆注-固化法(cast-cure)、壓裝法(pressed)和鑄裝法(melt-cast)等工藝，但受限于固有的“等材制造”和“減材制造”裝藥原理，存在一定的裝藥問題：(1)成型產品的質量問題，如澆注裝藥內部有氣泡，固化過程易產生應力集中，界面脫粘等現象；壓裝藥易受尺寸及外形的約束，且存在殘余應力問題；而鑄裝藥內部有縮孔、微裂紋等疵病;(2)成型產品一般還需經過表面整形或組裝等后處理才能裝配應用，易導致裝藥質量一致性差、穩定性低、材料浪費、安全風險高等問題;(3)現有裝藥工藝的自動化程度低、人工勞動強度大、本征安全性低。目前的含能材料裝藥成型技術發展處于瓶頸階段，難以推動高性能武器裝備的進一步發展。此外，針對未來復雜的國際局勢和作戰環境，新概念武器裝備的開發和使用對含能材料的性能提出了更高的要求，如多模毀傷性戰斗部裝藥[4-5]、燃速可調/啟停可控發動機裝藥等。這些先進的設計理念通常需要通過異質、異型的復雜裝藥結構來實現，傳統的成型方式難以滿足成型裝藥需求，因此亟需創新含能材料先進制造技術，從原理上突破現有成型方式的諸多缺陷，發展自動化、數字化、無人化制造技術，從而實現高質量含能材料的精準定制，滿足高新武器裝備的發展需求。

增材制造技術(Additive Manufacturing，AM)是先進制造領域提出的相對于“等材”和“減材”制造的新型“自下而上”制造方法，源自20世紀80年代末期出現的“快速原型技術”(Rapid Prototyping，RP)[6-7]，習慣上也稱為“3D打印(Three-Dimensional Printing，3DP)”[8-9]或“直寫成型技術(Direct Ink Writing，DIW或者Direct Write，DW)”[10-12]。美國材料與試驗協會(ASTM International)的技術委員會于2012年確定采用“增材制造”一詞作為該技術的標準術語[13]，具體可描述為“由三維計算機輔助設計系統(3D CAD)生成的初始模型無需工藝規劃而可以直接制造成型的技術”，即“薄層打印，逐層疊加”[14-16]。

增材制造技術作為一項顛覆性制造技術，其主要技術優勢包括：(1)設計自由度高，不受零件的復雜結構限制；(2)制造無模化，小批量生產經濟性好；(3)原材料利用率高，凈成形水平高；(4)生產可預測性好，制造時間可根據實際方案精確預測；(5)裝配步驟少，可實現多零件的組合成型；(6)產品開發周期短，研發效率高；(7)按需制造，“所見即所得”。增材制造成型的產品具有尺寸精度高(微米級尺度)、質量一致性好，批量制造穩定性好，復雜結構一體化精密成型等優勢[8]。因此，將增材制造技術應用到含能材料的裝藥成型中，將顛覆含能材料傳統制造理念，解決傳統制造方式存在的產品質量缺陷問題，實現先進裝藥設計理念，縮短武器裝備研發時間，提高武器裝備綜合性能，對于高新武器裝備的長足發展具有重要意義。

國內外學者已分別從增材制造關鍵技術突破、技術分類、發展前景等角度對其在含能材料領域的應用研究進行了綜述[17-27]。本研究結合現有國內外含能材料增材制造技術研究工作，分別從火工品、發射藥、固體推進劑、混合炸藥以及鋁熱劑等典型含能材料方向系統性闡述相關的增材制造技術研究進展情況，并對當前含能材料增材制造技術研究所面臨的瓶頸問題進行簡要分析，提出可行的解決思路，最后對未來增材制造技術在含能材料應用領域的發展進行合理展望。

1 含能材料增材制造技術的原理與工藝

1.1 含能材料增材制造技術原理

2012年，國際標準化組織(ISO，TC 261)和美國材料與試驗協會(ASTM，F12)聯合制訂了《增材制造標準發展架構(Additive Manufacturing Standards Development Structure)》，按照技術特點，將增材制造分為如下7類[13]：光固化(Vat Photopolymerization)、粉末床熔合(Powder Bed Fusion)、材料擠出(Material Extrusion)、材料噴射(Material Jetting)、黏結劑噴射(Binder Jetting)、薄板層壓(Sheet Lamination)和定向能量沉積(Directed Energy Deposition)。對通用增材制造技術的原理介紹如下[14]：

(1)光固化技術原理：利用紫外線(UV)或少數可見光輻射，使液態可輻射固化的樹脂或光聚合物產生光化學反應而變成固體。主要包括立體光固化成型(SLA)技術、數字光處理(DLP)技術、連續液面生產(CLIP)技術等。

(2)粉末床熔融技術原理：利用激光、電子束、紅外等能量選擇性加熱周圍的聚合物、金屬、陶瓷及其復合物粉末顆粒使其熔融，降溫后實現黏合。主要包括激光燒結(LS)技術、電子束熔煉(EBM)技術、選擇性加熱燒結(SHS)技術等。

(3)材料擠出技術原理：利用噴嘴將打印材料以線或絲形式擠出，在溫度變化或化學反應的作用下使打印材料固化成型。主要包括熔融沉積成型(FDM)技術和3D生物打印(3D Bioplotting)技術等。

(4)材料噴射技術原理：利用噴嘴將樹脂、金屬等材料的液滴選擇性沉積到構建平臺上，在溫度或化學反應的作用下使打印材料固化成型。主要包括噴墨打印(Inkjet Printing)技術、聚合物噴射(PolyJet)打印技術等。

(5)黏結劑噴射技術原理：利用噴嘴將黏結劑液滴選擇性地噴射在聚合物、陶瓷、金屬等粉末之上，使顆粒融合在一起并形成固體。

(6)薄板層壓技術原理：利用激光等工具逐層面切割和堆積紙板、塑料板、金屬板等薄板材料，最終形成三維實體。常用黏結劑、熱黏結、夾緊、超聲焊接等方式實現各層結合。

(7)定向能量沉積技術原理：利用聚焦的熱能(如激光、電子束、等離子弧)在材料沉積時熔化聚合物、陶瓷和金屬及其復合材料。其主要用于金屬粉末材料成型，因此，該技術通常稱為“金屬沉積”技術。

含能材料增材制造技術(Additive Manufacturing Technologies for Energetic Materials，AMT-EM)是借助通用增材制造技術的基本原理，結合含能材料的特征屬性，從而實現含能材料快速成型的先進制造技術[28]。因此，只要含能材料的屬性匹配于通用增材制造技術，就有望實現含能材料的打印成型。目前，有報道的含能材料增材制造技術主要有光固化技術、材料擠出技術和材料噴射技術。

1.2 含能材料增材制造工藝

結合通用增材制造的工藝特點與含能材料的特有屬性，制定了如圖1所示的含能材料增材制造工藝過程。

圖1 含能材料增材制造工藝過程

含能材料增材制造工藝過程主要由工藝確定、增材制造兩個部分組成，其中標“★”的工藝為重要工藝步驟。工藝確定部分包括：(1)根據含能材料特性分析其固化成型原理，篩選可行的增材制造技術方法；(2)開展含能材料配方設計；(3)對含能材料配方與增材制造工藝的適配性進行試驗并分析；(4)根據適配性分析結果，進一步優化含能材料配方，獲得滿足安全擠出成型的含能材料配方藥漿以及相匹配的擠出機構。

增材制造部分包括：(1)對含能材料目標實體進行計算機輔助設計(Computer-Aided Design，CAD)建立模型；(2)對含能材料CAD模型進行切片設計，將其轉換為STL(Stereolithography)文件；(3)將STL文件導入到含能材料增材制造專用軟件中，并對其尺寸大小、打印起始位置、方向等基本參數進行設置；(4)對含能材料增材制造過程的溫度、層厚、打印速率、移動速度等工藝參數進行設置；(5)開展含能材料的打印試驗，對過程中工件/工況的質量與安全等進行監測；(6)打印結束之后，將目標含能材料工件從打印區域移除；(7)對打印好的含能材料工件進行整修、移除支撐材料等后處理操作；(8)含能材料工件經最終裝配形成產品，實現應用。

2 含能材料增材制造研究現狀

2.1 火工品方面

火工品是用于引燃/引爆火炸藥，或作為某種特定動力源，一次性使用的爆炸元件，素有“熱兵器心臟”之稱[29-30]。隨著高性能武器裝備的發展，火工品也正在向微型化、多功能化、復雜結構一體化等方向創新，以實現火工品的高性能、高安全、高可靠、高精度[31]。

美國率先開展了火工品的增材制造技術研究。早在1999年，美國國防高級研究計劃局(DARPA)即投資了一項為期4年、經費4500萬美元的“介觀綜合形電子學(Mesoscopic Integrated Conformal Electronics，MICE)”項目，旨在開發出適用于低溫/無掩模共形表面的直寫電子制造工具[32]，其中包括直寫引信(Direct Write Fuzing)預研項目，即將噴墨打印技術與傳統火工技術相結合，以期實現火工品的直接快速、高精度成型。

2010年，Zunino等[33]針對新一代美軍裝備輕質化、小型化需求，總結了目前美國陸軍裝備研發與工程中心(ARDEC)在微機電系統(MEMS)火工品的直寫沉積方面的研究進展，提出新型納米墨水設計以及退火工藝(溶劑揮發和材料黏結)等是火工品快速成型的關鍵。文中指出油墨配方設計時固體顆粒尺寸小于噴頭直徑的十分之一時才能保證油墨擠出的均勻性和穩定性，還需綜合考慮表面張力、黏度、噴射速度、粒徑、溫度、濕度以及其他物理性質等對油墨液滴質量的影響；且對于柔性起爆藥而言，壓電式噴墨技術應用效果最佳。文章最后強調了低成本、高效率、高安全的含能材料直寫成型是美軍在柔性電子和共形系統技術領域保持世界領先的重要手段。同年，Fuchs等[34]研制了一系列基于六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)的EDF配方，配制出了可進行復雜圖形爆炸傳遞及起爆網絡打印的含能油墨直寫體系，其中代號為EDF-11的配方已經成功應用于美軍某彈藥傳爆序列中。Ihnen等[35]基于“一步法”設計原則，以環三亞甲基三硝胺(RDX)作為高能組分，乙酸乙酯纖維素(CAB)為黏結劑，二甲基甲酰胺(DMF)作為溶劑，配制出了全液式的含能油墨(如圖2所示)，避免了懸浮型油墨中原材料處理步驟以及納米顆粒的團聚、均勻性問題，且可以防止噴頭堵塞問題，經直寫實驗獲得的成型樣品具有較高的分辨率，但打印效率較低，且油墨揮發過程中存在“咖啡環效應”，改變了RDX的結晶行為(粒徑在300 nm～1 mm之間)，造成樣品形貌不規整、組分分布不均等問題。為了進一步減少“咖啡環效應”的影響，Ihnen[36]于2012年又以季戊四醇四硝酸酯(PETN)為高能炸藥組分，聚乙酸乙烯酯(PVAc)或氯化石蠟為黏結劑、乙酸乙酯為溶劑，配制出了炸藥與黏結劑的質量比為9∶1的含能油墨，深入探究了噴墨打印出的液滴聚結作用對PETN結晶行為的影響規律，發現增加液滴間距，降低液滴的聚結程度，可以加快溶劑揮發速率，提高溶質的過飽和度和PETN晶體的成核密度；隨著液滴間距的增加，基板上析出的PETN晶體粒徑由微米級減小到納米級(如圖3所示)；且在層層堆積成型時，大的液滴間距也有助于實現納米PETN的連續制備，從而可以獲得均勻穩定的納米復合含能材料，該方法可作為控制打印材料中納米尺度形貌結構的新策略(如圖4所示)。

圖2 “一步法”打印過程與樣品微觀結構[35]

圖3 隨液滴間距變化而改變的PETN晶體形貌[36]

圖4 在z方向打印多層樣品時(a)最大聚結程度晶體連續成核與(b)最小聚結程度晶體再成核示意圖[36]

國內南京理工大學率先開展了火工系統快速成型制造技術研究。2004年開始，沈瑞琪團隊[37-40]將光固化成型原理與噴墨打印技術相結合，分別對快速成型裝置的硬件系統、軟件控制系統、光固化含能油墨配方、成型工藝等方面進行了深入的研究，并初步實現了快速成型制造技術在化學芯片、MEMS微推進芯片等火工方向的應用。

2013年，中國工程物理研究院化工材料研究所的聶福德團隊[41]將球磨法制備的超細CL-20與聚乙烯醇(PVA)/水/乙基纖維素(EC)/異丙醇(IPA)的復合黏結劑體系結合，獲得高能直寫炸藥油墨，最小直寫線寬可達80.2μm，裝藥厚度為0.54mm時爆轟臨界尺寸為0.36mm，爆轟性能明顯提高。隨后，還研究了含亞微米CL-20、聚疊氮縮水甘油醚(GAP)、多異氰酸酯(N100)的復合含能油墨，打印出表面光滑，無裂紋、孔隙等缺陷的三維周期性結構樣品，能夠在0.4mm×0.4mm尺寸下可靠爆轟[42]。此外，為實現含能油墨連續、高質量打印，該團隊設計了含質量分數85%亞微米CL-20、11.25%端羥基聚丁二烯(HTPB)和3.75%N100的乳液型含能油墨配方(如圖5所示)，在20 ℃室溫下打印出復雜結構樣品，再在35 ℃下進一步固化成型，所獲得的樣品具有良好的均一性和穩定性，且燃燒性能優異，該研究為燃燒/爆炸性能可調的梯度結構火炸藥的成型提供了很好的技術策略[43]。

圖5 打印流程圖與固化機理[43]

2015年，中北大學李小東團隊[44]設計并制備了含質量分數30%的2μm RDX基UV光固化含能油墨，樹脂配方質量分數為：35%環氧丙烯酸酯(EA)、15%聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、10%季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、10%三羥甲基丙烷三丙烯酸脂(TMPTA)、4%光引發劑、15%丙酮，黏度為420mPa·s，并利用自行搭建的光固化噴墨快速成型系統實現了微孔裝藥成型，盡管裝藥效果良好，但樹脂含量過大導致樣品幾乎無法點燃，因而光固化含能油墨配方仍需要進一步的優化設計。

中北大學王晶禹、安崇偉團隊[45-57]基于微筆直寫技術，以超細CL-20作為主體炸藥成分，開發了多種性能優良的高能油墨配方，如亞微米CL-20/水性聚氨酯(WPU)/乙基纖維素(EC)(2018年)，最小臨界傳爆厚度為108μm，爆速為7284m/s[46]；以硝化棉(NC)/GAP和EC/GAP分別作為黏結劑，配制的兩種全液式含能油墨(2019年)，成型密度達85%TMD以上，爆轟臨界尺寸分別為1mm×0.0096mm和1mm×0.069mm、1mm×1mm裝藥尺寸下的爆速分別為8347m/s和8013m/s，均能可靠起爆PBXN-5藥柱[49]；以亞微米CL-20為主體炸藥，WPU和EC為混合黏結劑，乙醇為溶劑，成功制備出蜂窩狀CL-20基復合材料(2020年)，并通過EC的含量來調節油墨流變性能和孔隙結構，從而實現對樣品爆轟性能的調控[50]；分別以CL-20/乙酸乙酯和EC/GAP/丙酮作為全液式炸藥噴涂墨水和全液式黏結劑噴涂墨水(2020年)，采用微雙噴直寫技術交替逐層打印，形成CL-20基含能薄膜(如圖6所示)，薄膜樣品中CL-20晶型未變，撞擊感度顯著降低，臨界爆轟尺寸為1mm×0.045mm[51]。團隊進一步以PUA作黏結劑、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦(TPO)作光引發劑，先后配制了兩種CL-20基光固化含能油墨(2019年和2020年)，并通過DIW技術成功打印成型，樣品固化速度快(8min以內)，內部缺陷少，撞擊感度低，臨界爆轟尺寸分別為1mm×0.078mm和1mm×0.015mm，爆速分別為7357m/s和7129m/s[52-53]。團隊以PVA水溶液為基底，GAP的乙酸乙酯溶液為油相，吐溫80和SDS為乳化劑，BPS為GAP的固化劑，將PVA/GAP設計成水包油(O/W)型乳液，研制出新型CL-20基含能油墨[55]。打印樣品具有良好的爆轟性能，臨界爆轟尺寸為1mm×0.045mm，爆速為7129m/s(2021年)。除了以CL-20作為高能炸藥組分，團隊還以DNTF作為主體炸藥、NC和Viton作為黏結劑，配制了全液式含能油墨(2018年)[56]，成型樣品密度達93.16%TMD，臨界爆轟尺寸為1mm×0.01mm，在1mm×1mm下爆速達8580m/s，傳爆性能優異，為高能/安全的火工品增材制造應用發展提供了技術支持。

圖6 微雙噴直寫成型技術原理示意圖[51]

2.2 發射藥方面

發射藥作為身管武器的能源，是槍炮火力系統重要的動力來源[3]。受傳統裝藥成型工藝的限制，目前制備的發射藥產品形狀簡單，燃速和燃面增幅有限，因此國內外學者希冀通過增材制造技術突破傳統發射藥結構的限制，開發多材料、復雜形狀的新型發射藥[58]。

荷蘭的應用科學研究機構(TNO)[59-60]早在2014年即開展了SLA技術制備低易損性(LOVA)發射藥的研究工作，首次以RDX和惰性黏結劑為配方(質量比為1∶1)，打印出具有縱/徑向多孔發射藥；在此基礎上，進一步提高RDX固含量(75%)，并添加含能增塑劑，打印的發射藥裝填密度提高了18%，火藥力約900J/g，火焰溫度約2100K，處于低能量LOVA發射藥體系的參數范圍內；隨后在2016年，TNO又進一步設計并打印出了直徑29mm的多孔圓片發射藥用于30mm口徑Gau-8型機炮的彈道試驗演示，初速范圍在260～370m/s之間，與內彈道模擬計算結果一致，結果表明增材制造技術在復雜多孔結構發射藥領域具有一定的應用潛力。

國內雖然起步較晚，但發展迅速。2020年，西安近代化學研究所的楊偉濤團隊[27,61]以20μm和45μm的RDX(固含量為60%)、光敏樹脂黏結劑為原材料，通過黏度測試、固化過程溫度檢測等手段確定SLA技術在發射藥制造成型上的可行性，并成功打印出力學強度與常規發射藥相當的多孔發射藥；進一步通過藥型設計與建模，打印出了具有復雜結構的超多孔發射藥樣品(如圖7所示)。

圖7 超多孔發射藥及其裝藥[61]

在此基礎上，又設計并制備出由質量分數50%的RDX、25%的環氧丙烯酸酯、12.5%的N-丁基硝氧乙基硝胺、12.5%的稀釋劑和添加劑組成的發射藥，并進行了燃燒性能測試與30mm槍擊試驗，結果表明打印的發射藥樣品表現出較低的線性燃燒速率和較高的壓力指數(1.46)，出口速度為420m/s。此外，南京理工大學的何衛東團隊[62]成功開發出適用于發射藥打印成型的擠出沉積式增材制造樣機，通過填充速度、填充率和底板溫度等關鍵工藝參數的調節，成功打印出壓縮強度高達230MPa的發射藥樣品，對于國內在發射藥增材制造領域的發展具有極大的推動作用。

2.3 固體推進劑方面

固體推進劑是火箭和導彈等各類固體發動機的動力源，其性能好壞直接影響到戰略和戰術導彈武器系統的作戰效能和生存能力[63-64]。具有高比沖、高密度、推力可調等特點的高性能推進劑是固體推進劑發展的核心，是未來戰略和戰術導彈武器系統遠程打擊的可靠保障。早在1979年印度理工學院航空工程系的Krishnan和Bose就論證了多材料星型孔結構的推進劑藥柱設計方案[65]，如圖8所示。但基于特殊復雜結構的高性能推進劑是目前裝藥技術難以實現或質量是難以保障的，而增材制造技術已證實是解決該類問題的有效手段。

圖8 多材料星型孔結構的推進劑設計方案[65]

美國佛羅里達州的火箭工藝公司(Rocket Crafters，RCI)2016年申請了一項關于混合火箭發動機藥柱增材制造的專利[66]，將固體推進劑與液體推進劑相結合，制造的管狀藥柱結構同時作為火箭固體燃料源和發動機燃燒室，且內部幾何形狀精確設計，可顯著提高火箭發動機運行過程中燃燒速率，緩解傳統推進劑產生的過度振動問題，為無疵病、高性能和高安全的推進劑制備與應用提供技術支持(如圖9所示)。

圖9 火箭結構示意圖[66]

2018年初，印度科學研究院[67]報道了一種適用于增材制造的復合推進劑配方，包含高氯酸銨(AP，粒徑小于125μm，氧化劑)，鋁粉(Al，燃料)，三氧化二鐵(Fe2O3，質量為AP的2%，催化劑)，HTPB(黏合劑)，己二酸二辛脂(DOA，增塑劑)，異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI，固化劑)，且氧化劑與燃料的質量比為78∶22，增塑劑與固化劑、黏合劑的質量比為10∶10∶80，Al與AP的質量比為10∶90，利用材料擠出技術逐層堆積成型，再將藥柱放置于60℃下固化7天，獲得的推進劑藥柱密度、燃速與傳統澆注工藝制備的藥柱基本相當(如圖10和11所示)。

圖10 打印的推進劑樣品[67]：(a)打印過程；(b,c)CAD模型；(d-h)藥柱

圖11 打印的推進劑樣品[67]：(a)CAD設計的復雜藥型結構的橫截面；(b)外徑為30mm的藥柱

在此基礎上，印度科學研究院設計并成功制造出多種具有復雜異型結構的復合固體推進劑藥柱，驗證了增材制造技術相對傳統澆注工藝在特殊藥型結構裝藥上的優勢；進一步地，研究人員還打印出具有不同孔隙率的藥柱，通過沿藥柱軸向填充密度的改變，從而實現推進劑燃速的梯度可控(如圖12所示)，該研究成果充分證明了增材制造技術在復雜結構推進劑性能調控方面的應用潛力。

圖12 打印的多孔推進劑藥條(從上往下看)及其燃速[67]

同年2月份美國雷神公司公布了一份關于推進劑增材制造的專利[68](如圖13所示)，提出兩級混合釜，先將推進劑組分(無固化劑)在1級混合釜中預混，混合均勻后藥漿流入2級反應釜(加固化劑)中進一步混合，此時藥漿黏度逐漸增大，控制在合適的黏度區間內進行擠出成型，從而可以避免傳統推進劑固化時間長、黏度大、打印效果差等問題，為固體推進劑的增材制造提供了新思路。

圖13 推進劑打印的示意圖[68]

2019年，美國普渡大學的McClain團隊[69]基于增材制造技術，分別以HTPB和光敏聚氨酯作黏合劑，打印出固含量為85%、黏度高達69×104Pa·s的AP基復合推進劑。在打印完成后，含HTPB的推進劑需在60℃固化3天，而含光敏聚氨酯的推進劑僅需放置在UV燈下固化30min，大大提高了推進劑制造效率。藥柱內部微觀結構顯示打印成型樣品內部孔隙要遠小于澆注成型樣品，而光固化成型樣品內部最密實，品質更好(如圖14和15所示)；另外打印成型的樣品燃速與澆注樣品相當。研究結果對于高固含量、超高黏度、復雜幾何結構推進劑的快速成型研究具有重要的參考價值。

圖14 HTPB基推進劑微觀結構[69]

圖15 光敏聚氨酯基推進劑微觀結構[69]

國內方面，2016年西安近代化學研究所的張亮團隊[18]報道了基于SLA技術，采用含Al的光固化代料模擬HTPB推進劑配方進行了擠出成型試驗，初步論證了增材制造技術在推進劑領域應用的可行性。2017年初，南京理工大學的藺向陽團隊[70]公開了一種固體推進劑的增材制造方法，即將推進劑配方組分與溶劑混合塑化后，預制成條，再通過螺桿式擠出機構進行堆積成型；同年10月份，團隊又進一步提出了基于紫外光固化的固體推進劑增材制造方法[71]，獲得的物料相對密度達97.2%、拉伸強度最大為9.2MPa。2019年，湖南大學的鄧劍如團隊[72]基于PUA樹脂，制備了適用于SLA的推進劑代料，固含量75%，固化時間為30s，為實現固體推進劑的快速固化成型提供了經驗基礎。2021年，西安航天化學動力有限公司的王璐團隊[73]開發出氣動直寫式增材制造打印系統，完成了復雜異型結構復合固體推進劑(80%固含量)的光固化成型(如圖16所示)，并成功實現了發動機地面點火，動態燃速9.034mm/s、平均壓強6.112MPa。同年，西安近代化學研究所的楊偉濤團隊[74]在國際上首次報道合成了新型無鹵素含能光固化樹脂(丙烯酸酯封端聚-3-硝基甲基-3-甲基氧代烷齊聚物，APNIMMO)并應用于CL-20基復合推進劑配方中，使打印成型的推進劑能量水平和燃燒速度等大幅度提升；2022年，該團隊[75]以環氧丙烯酸樹脂(EA)為黏結劑，CL-20為主體炸藥(質量分數50%～65%)，TPO為引發劑(質量分數2%)，采用材料擠出式3D打印技術制備出了光固化固體推進劑樣品，并對其熱分解行為展開深入研究，發現EA的加入會加速CL-20的分解，且主要產物由NO2轉變成N2O和CO2。研究結果為打印成型推進劑的推廣應用奠定了基礎。

圖16 Ф150mm的推進劑打印藥柱[73]

2.4 混合炸藥方面

炸藥是彈藥戰斗部等武器做功的能量來源，是推動實現武器系統“遠程精確打擊，高效高能毀傷”的核心部件[76]。面對當前復雜的國際局勢和作戰環境，新型戰斗部的開發和使用對混合炸藥裝藥指出了新的發展方向，如美國海軍航空系統司令部(NASC)設計了一種徑向復合裝藥結構，通過改變內部空穴形狀實現威力調控(如圖17所示)；勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室提出了“雙炸藥+多起爆點”的裝藥設計方法(如圖18所示)，可實現對戰斗部爆轟威力的調節[4-5]；洛斯阿拉莫斯國家實驗室設計出了一種陣列式多孔裝藥結構，可通過徑向孔隙密度變化調節爆轟波形達到爆轟威力可控(如圖19所示)。因此積極探索威力可控/毀傷模式可調的新型炸藥裝藥技術具有重要的戰術戰略意義[77]。

圖17 NASC公開的復雜異質結構炸藥

圖18 多模戰斗部裝藥設計[5]

圖19 多孔結構裝藥設計

2017年8月，美國勞倫斯利弗莫爾國家安全實驗室公開了一項專利[78]，提出了一種采用增材制造技術控制沖擊波輸出特性的方法，目的是突破現有加工、壓制、擠壓等制造方法和材料的限制，從而實現對高能材料的前端輸出激波的控制。其方法主要是設計雙組份含能材料，采用增材制造技術完成兩部分的原位結合，即第一部分采用錐形結構設計，同時為第二部分打印定位，從而實現炸藥的沖擊波輸出特性控制(如圖20所示)。

圖20 炸藥藥柱打印示意圖[78]

同年，荷蘭TNO公司報道稱采用TNT進行熔融沉積成型，并成功打印出約300層的三維結構樣品[59](如圖21所示)。盡管這只是一次概念性演示，但證實了熔鑄類含能材料增材制造的可行性。

圖21 TNO公司打印的TNT試樣[59]

國內方面，2018年以來，南京理工大學的姜煒團隊[79-80]基于FDM法開展了高性能熔鑄炸藥的研究工作，團隊自主研發了熔鑄炸藥增材制造原理樣機，設計并制備出與打印噴頭相匹配的納米環四亞甲基四硝胺(HMX)/三硝基甲苯(TNT)基熔鑄炸藥配方，成功制備出多種結構的納米HMX/TNT熔鑄炸藥藥柱(如圖22所示)，測試結果表明成型藥柱的密度及均一性明顯提高，內部缺陷少，且抗壓強度相比提高了273.0%左右，爆速提高了約2.1%，綜合性能明顯增強，驗證了FDM技術在高質量熔鑄炸藥制造方面的優勢。在此基礎上，進一步開發了雙噴頭含能材料增材制造裝置，初步實現了外高爆速(HMX/TNT)、內高爆熱(HMX/TNT/Al)型復合炸藥裝藥成型(如圖23所示)，從而為復雜異型炸藥裝藥技術發展提供了可行思路。

圖22 成型藥柱實物圖[79]

圖23 雙噴頭打印復合結構樣品

2019年，中國工程物理研究院的聶福德團隊[81]以CL-20和三氨基三硝基苯(TATB)為主體炸藥，分別配制了CL-20基高能炸藥油墨和TATB基鈍感炸藥油墨，并通過噴墨打印技術獲得了3種復合結構的炸藥藥柱(如圖24所示)，撞擊感度測試表明利用增材制造技術獲得的復合結構炸藥裝藥可有效提高CL-20炸藥裝藥的安全性，驗證了增材制造技術在復合裝藥上的技術優勢。

圖24 3種復合裝藥結構炸藥實物圖[81]

西南科技大學的王敦舉團隊[82]實現了RDX/Al/HTPB/N100復合含能材料的增材制造，通過雙噴頭打印出了三維梯度結構炸藥，表現出具有良好的相容性與熱穩定性，且爆轟臨界尺寸大幅增加，該方法可以為炸藥結構-功能一體化設計提供很好的技術支持。

2.5 鋁熱劑方面

納米鋁熱劑作為一種典型的納米復合含能材料，通常由納米尺度的Al與氧化劑組成[83]，具有體積能量密度高、反應速率快、點火能量低、燃燒速率快、火焰溫度和壓力輸出高等優異特性[84]，因而在含能點火芯片[85]、微納衛星姿態控制及推進[86]、微流體驅動[87]等領域具有廣泛的應用前景。增材制造技術的發展加速了納米鋁熱劑在微納含能器件中的應用進程，滿足了微電子引信、MEMS等微小型彈藥組件的裝藥需求[20,88]。

2017年，普渡大學Murray團隊[89]配制了以Al/氧化銅(CuO)為鋁熱劑、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為添加劑的含能油墨體系，最先實現了多層Al/CuO納米鋁熱劑的壓電雙噴頭噴墨打印。同年，科羅拉多大學的研究人員[90]則開發了基于熔融沉積技術的Al/聚偏二氟乙烯(PVDF)鋁熱劑體系，此體系以低熔點的PVDF為黏結劑，將其至加熱熔化后加入納米Al粉，隨后通過擠出、層層堆積制備出Al/PVDF藥條，并且研究人員還發現加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可降低PVDF熔點，開發出基于PVDF/PMMA混合黏結劑的打印體系[91]。而美國加州大學河濱分校Zachariah團隊采用相同的成型原理，開發了以PVDF、羥丙基甲基纖維素(HPMC)/PVDF以及NC/HPMC為高分子黏結劑的鋁熱劑體系[92-95]，圖25為2020年該組人員采用3D打印技術制備的以HPMC/PVDF為黏結劑且固含量高達90%的鋁熱劑外觀圖及剖面圖，所得鋁熱劑藥條內部致密、組分分布均勻[92]；此外，研究人員結合高速攝影微區燃燒觀測技術，直接觀察到納米鋁熱劑燃燒燒結現象，對納米鋁熱劑的燃燒機理研究提供了有力支持[94]。2021年，普渡大學的Collard團隊[96]通過調節Al粒度級配以及與PVDF的配比，制備了多種Al/PVDF打印絲材，并實現了打印樣品的燃速可調與穩定燃燒；Rhoads團隊[97]也對Al不同固含量/粒度條件下Al/PVDF基鋁熱劑打印樣品的綜合性能展開了分析表征，有助于建立基于力學性能與燃燒性能相平衡的MEMS設計方法；法國圖盧茲大學的Rossi團隊[98]開發了基于Al/CuO/CuC/PVP的3D打印高活性鋁熱劑，最高燃速達54m/s，表現出優異的燃燒特性。

圖25 以氟橡膠為黏結劑的鋁熱劑直寫打印過程及形貌圖[92]

國內方面，早在2013年，南京理工大學沈瑞琪團隊[99]設計并制備了由光固化樹脂和NC組成的含能油墨，實現了Al/CuO/NC含能油墨在半導體橋上的噴墨打印。西南科技大學王敦舉團隊[100-103]在納米鋁熱劑的增材制造研究方面開展了大量創新性工作，如2019年開發了基于溶劑受熱揮發—高分子固化原理的鋁熱劑打印成型技術，以氟橡膠F2311作為黏結劑，納米鋁熱劑固含量高達90%，實現了蜂窩狀3D結構Al/CuO納米鋁熱劑的打印成型(如圖26所示)，且燃燒速率高達352mm/s，該方法可以為分辨率好、精度高、燃燒性能優異的納米鋁熱劑制備以及在微型含能器件中的應用提供新策略[102]。此外，該團隊又打印出了一系列基于中空纖維結構的Al/金屬氧化物/含氟聚合物型鋁熱劑[104]，并發現該結構能夠顯著提高穩定火焰傳播速率，該研究對于復雜異形結構鋁熱劑在微型火箭、航空航天微推進系統、MEMS器件等方向的應用具有重要意義。

3 當前發展面臨的主要問題

由于含能材料本身的屬性與使用安全性問題，增材制造技術在含能材料領域的應用遇到極大的挑戰。目前國內在微小型火工裝藥上有一定研究進展，而在高性能推進劑、發射藥、炸藥等中大尺寸裝藥方向的發展較緩慢，相比較國外在武器裝備型號上的應用尚有一段差距，因此急需開展含能材料增材制造技術基礎研究，為高新武器裝備的發展提供技術支持。當前含能材料增材制造技術發展的主要問題在于材料、裝備以及安全等方面。

3.1 含能材料配方的適配性設計

3.1.1 配方原材料制備

含能材料增材制造的一大亮點在于高精度。通過配方藥漿與擠出噴頭的匹配性設計，可以實現藥漿擠出成絲的直徑在幾百微米以下，但受限于擠出微流道的尺寸效應，同時避免配方藥漿中固體顆粒在噴嘴處沉積、堵塞，因此在配方設計時應盡量采用微納米粒度的固體材料。

關于微納米含能材料制備方面的研究已有很深的基礎[105-106]，主要包括重結晶法[107-109]和粉碎法[110-113]，且已經可以實現量產，但目前制備的微納米含能材料存在一定的粒度分布，其上限值直接決定了擠出噴頭尺寸的選擇以及成型精度，因此如何保證微納米含能材料粒度的均一性是當前亟待解決的難題之一。

其次，開發新型功能性材料。增材制造含能材料的配方設計，既要滿足火炸藥能量要求，還要與增材制造技術相適應。常規使用的火炸藥配方并不完全適用于增材制造，如熱固化成型的澆注類推進劑、混合炸藥等，擠出藥漿需經歷緩慢熱固化反應才能定型，無法實現快速堆積成型，因此需要設計合成出與配方組分匹配的光固化材料[60,61,114]或者光-熱復合固化材料，既能滿足打印成型過程的快速定型堆積，還可以進一步通過熱固化提高產品性能。

3.1.2 配方多組分混合

含能材料配方組分種類復雜，傳統物理混合的均勻性較差，宏觀均勻分布，細觀雜亂無序，難以精確調控微觀結構，尤其是當前增材制造用含能材料配方中加入了微納米材料，固相組分均勻分散難度更大，實際應用時存在反應過程不可控、能量利用率低、安全性不穩定等突出問題。因此在進行配方設計與制備時，要優先解決配方多組分材料的均勻混合問題。

聲共振混合分散技術(Resonance Acoustic Mixing Technology)是一種利用激振器輸出與被混物料系統共振頻率相近或相同的振動頻率，從而實現物料均勻分散的新型無槳混合工藝[115]。

西安近代化學研究所的陳松團隊[116]長期致力于含能材料共振聲混合裝置研發及混合機理方面的研究工作，已成功實現了固含量為90%的澆注型PBX配方藥漿20min內、300g量級的快速均勻混合。

美國某海軍基地[117]已成功實現了高能推進劑和炸藥配方的小批量聲共振混合，發現該混合方式效率快、混合均勻程度好、工藝安全性高，混合后的產品使用性能與傳統混合相當甚至更好，驗證了聲共振混合分散技術在含能材料領域的巨大潛力。美國普渡大學[69]已率先將聲共振技術應用到固體推進劑的增材制造中，采用美國蒙大拿州Resodyn Acoustic Mixers公司生產的LabRAM型聲共振混合裝置進行高黏度推進劑藥漿(85%固含量，約69×104Pa·s)的快速均勻混合，并最終打印出性能良好的完整推進劑藥柱產品。

此外，中北大學的安崇偉團隊[118]基于乳化原理，以聚乙烯醇(PVA)水溶液為水相，F26型氟橡膠的乙酸乙酯溶液為油相，設計出了一種“水包油”乳液型黏結體系，再將其與超細CL-20混合，制備出了CL-20固含量為90%的均勻含能油墨，一定程度上解決了懸浮型含能油墨組分混合均勻性差、成型密度低的問題，打印出的產品臨界爆炸尺寸為0.3mm×0.3mm，爆轟性能優異。

3.1.3 配方油墨的咖啡環效應

采用噴墨打印技術制造含能材料時，由于含能油墨液滴邊緣蒸發速率大于中心蒸發速率，致使液滴內部產生一個外向的毛細流動，將懸浮的粒子攜帶至液滴邊緣，并在邊緣沉積成環狀，從而形成了“咖啡環效應”，該現象會導致功能性材料的不均勻沉積，影響打印分辨率和產品性能。目前主要有4種方法可以改善“咖啡環效應”的影響：

(1)減小由內向外的毛細流動

Soltman等[119]發現降低基底表面溫度可以抑制“咖啡環”的形成。在較低基底溫度條件下，線型薄膜結構具有平滑和凸起的截面，而在較高的基底溫度條件下，薄膜出現明顯的“咖啡環”現象。降低基板溫度減慢了溶劑揮發速率，但是液滴邊緣溶劑揮發速率下降的幅度要大于液滴的中心區域，使得液滴邊緣與中心處溶劑揮發的不均勻性降低，從而減弱了毛細流動強度，提高了薄膜的均勻性。

Schubert等[120]采用增加毛細流動阻力的方法來抑制“咖啡環效應”。實驗中沉積到基底上的油墨在加熱條件下發生凝膠化，從而有效抑制了毛細流動，防止溶液向邊緣遷移和邊緣沉積的發生。

此外，高沸點溶劑可以降低溶劑揮發速率，減弱了邊緣流動驅動力，而高黏度溶劑能產生高流動阻力，從而抑制邊緣流動和邊緣沉積強度，改善沉積材料的均勻性[121]。

(2)增大對外向內的馬拉哥尼對流

除了外向的毛細流動外，液滴蒸發過程中還存在一個沿著液滴表面，由表面張力差引起的由液滴邊緣向液滴中心的流動，稱為馬拉哥尼對流。馬拉哥尼對流可將溶質從液滴邊緣攜帶到中心，與毛細流動相反，它有利于抑制“咖啡環”的形成。

Schubert等[122-123]分別打印了含不同溶劑的聚苯乙烯基油墨，發現乙酸乙酯/苯乙酮共混溶劑體系條件下，可以得到具有類似凸透鏡形貌的中心沉積的點狀薄膜，這與采用純溶劑打印沉積得到的咖啡環現象正好相反。這一實驗中產生對流的原因是利用混合溶劑的表面張力梯度。

(3)三相線滑移

在油墨沉積后揮發干燥過程中，液滴的三相線會因為基板表面的物理或者化學缺陷而發生固定。干燥初期三相線對基板的黏附力較小，隨著溶劑的揮發，溶質逐漸向三相線移動并沉積，進一步增加了三相線的固定。可通過疏水處理基板表面以增大液滴的接觸角，以及選擇具有較大接觸角的溶劑體系等方式，使得三相線在液滴干燥過程中隨著液體體積的減小不斷回縮，就可以達到抑制溶質在邊緣的沉積作用，從而消除“咖啡環”現象[124-125]。

(4)改變油墨中懸浮粒子的形貌

橢球型顆粒由于各向異性，可以在油墨液滴表面形成簇狀結構，從而抵御遷移，不在液滴邊緣處形成堆積，起到抑制咖啡環效應的作用[126]。但橢球型結構粒子的各方面性能均要弱于球型粒子，且橢球型制作工藝更復雜，實際應用意義并不高。

3.2 含能材料專用增材制造系統開發

增材制造設備是實現含能材料精確成型的必要手段，考慮到含能材料的特殊性，市面上現有的各式增材制造裝置難以保障使用安全性和工藝適用性，因此必須開展含能材料專用增材制造裝置的研制工作。

目前大多數含能材料的增材制造均是基于擠出成型式原理，擠出機構的設計應當與含能材料配方藥漿的性質相匹配。目前應用較多的擠出機構主要是基于柱塞式原理[62,80,93]，裝置簡易，氣動施壓，可操作性強，安全性高，適合較低黏度、小尺寸裝藥的情況；但也存在擠出量有限，無法連續化，擠壓力小且不穩定，高黏度藥漿難擠出等問題。因此仍需加快開發新型擠出機構以適應不同含能材料配方體系，保障藥漿擠出的連續性、密實性和均勻性，從而提高打印成型精度，也為未來大尺寸裝藥成型提供條件支持。

陜西理工大學的白海清團隊[127-128]設計了一種單螺桿式擠出機構(如圖27所示)，通過ANSYS Fluent軟件進行仿真模擬，優化了結構設計，確保了打印過程的安全和穩定。

南京理工大學的姜煒團隊開發了一種適用于高黏度熔鑄炸藥藥漿的雙組齒輪泵式擠出機構(如圖28所示)，初步獲得了藥漿擠出特性與擠出機構的匹配關系，實現了高黏度熔鑄炸藥的擠出成絲，可以為高固高黏含能材料的連續、均勻、穩定擠出提供技術支撐。

南京理工大學的黃玲團隊[129]基于柱塞式擠出流道，通過計算流體動力學(CFD)技術和Polyflow軟件仿真建模方法探究了噴嘴結構的曲線收縮和錐形收縮(如圖29所示)對藥漿擠出效果的影響,發現大曲率半徑的收縮曲線有更大的壓力降，能更好地擠壓藥漿，提高藥漿成型質量；且軸向速度更集中，可以減小藥漿擠出后的徑向膨脹問題，提高成型精度。

圖29 4種噴嘴內流道設計結構[129]

青島科技大學的林廣義團隊[130]為了降低常規圓形噴嘴擠出絲材時存在的擠出脹大和擠壓變形對成型精度的影響，設計了一種內凹四方形的異形噴嘴(如圖30所示)，實驗結果表明采用該異形結構噴嘴可明顯提高成型制品的表面粗糙度和成型精度。

圖30 內凹四方形噴嘴孔[130]

美國普渡大學針對高固高黏含能材料配方藥漿的流動性差、擠出困難的問題，采用了一種超聲振動擠出打印方法[69,131]。具體是在擠出噴頭處加載了一個超聲振動器，控制頻率在30.3kHz，振幅為8μm，從而在噴頭頂端加快高黏度推進劑藥漿(69×104Pa·s)的流速，使其順利擠出，同時結合切片軟件、后處理軟件等調節振動的啟停，減少噴頭振動處的積熱，最終實現了復雜結構的精準沉積成型。

基于光固化成型原理的含能材料增材制造裝置研制還應重點考慮紫外光固化系統的開發，如何設計紫外光的照射方式，防止噴嘴處藥漿固化堆積，堵塞噴頭；如何控制紫外光的照射路徑，確保內外層擠出藥漿均能光照固化，同時不影響堆積界面的黏結特性；長時間打印時，還應考慮紫外光照的穩定性和可靠性等。

除此以外，溫控模塊、運動機構、操控軟件系統等關鍵軟硬件均要結合具體含能材料配方性能以及打印原理進行匹配性開發，并最終實現含能材料專用增材制造系統的遠程自動化控制、現場無人化操作以及安全防爆等功能需求。

3.3 安全/質量在線檢測系統開發

安全是含能材料增材制造技術發展的首要考慮因素，而質量也是含能材料增材制造技術的重要目標。在實際研究中，一方面，含能材料增材制造裝置長期工作下可能存在的劣化或故障問題，噴頭內藥漿堵塞、材料過度擠壓刮擦、噴頭觸碰平臺等現象的發生引起含能材料受熱、力刺激作用而產生嚴重的安全隱患；另一方面，成型工藝的不成熟、打印原材料的相變作用，以及新裝置不穩定、軟件漏洞等因素，容易造成成型產品的質量缺陷、尺寸偏差、變形甚至打印失敗等質量問題。因此在含能材料增材制造技術研究中需開發出針對打印工況和工件的實時在線無損檢測方法，實現對打印故障、產品缺陷等的快速識別和處理，從而保證成型過程安全與最終產品質量。例如聲發射(Acoustic Emission，AE)技術[132-133]、視覺測量技術[134]、紅外熱成像技術[135]等。

聲發射檢測技術是根據材料或結構的變形或斷裂以彈性波形式釋放出應變能的現象而開發出的一種先進動態聲學無損檢測方法[132]，在含能材料增材制造過程中可以對材料的晶體結構變化、裂紋擴展、滑移變形等產生的不同聲信號進行采集、提取、識別，從而準確獲取藥柱質量缺陷類型、損傷程度、具體定位等信息，以幫助評價含能材料增材制造的工藝技術與成型質量。另外，采用人為控制的方式對增材制造裝置工作時的幾種典型故障進行聲發射信號識別與分析，從而可以實現打印工況的聲發射在線監測。進一步地，將聲發射在線無損檢測系統與增材制造控制系統進行聯動，根據聲發射信號判斷工件/工況的異常模式，并由控制系統進行針對性的安全操作，避免發生安全事故，提高含能材料產品成型質量。

利用視覺測量技術可以對增材制造產品的實時精度進行在線檢測(如圖31所示)。在含能材料增材制造成型過程中，采用多個光學探頭快速獲取每一層成型件的尺寸信息，掌握實時幾何輪廓，再與理論模型比對，獲取各層誤差信息，從而幫助優化工藝參數、修繕產品模型等。

圖31 三維尺寸在線監測流程

溫度和壓力是含能材料增材制造過程中需要特別關注的參數。在含能材料增材制造之前首先應當獲取含能材料在實際情況下受熱和力等刺激的安全閾值，并將其作為溫度和壓力檢測的設定值，再采用溫度傳感器、紅外熱成像技術等手段在線監測整個增材制造成型區域內各部件實時溫度，采用壓力檢測、扭矩力檢測等手段對增材制造全流程中的力刺激進行實時監測，及時發現溫度和壓力異常狀態，并由控制系統迅速聯鎖調解，以避免安全事故發生。

4 總結與展望

含能材料的增材制造技術在火炸藥領域展現出了巨大的發展潛力，目前已成為改善傳統裝藥方式、打破新型裝藥結構桎梏、提升武器彈藥裝藥性能的重要手段。以美國為首的西方發達國家和地區在含能材料的增材制造領域起步早、發展快，部分技術成果甚至已完成了應用轉化與實戰驗證，而我國雖然也在快速發展含能材料增材制造技術，但在專用裝備、產品應用等方面仍處于劣勢地位，因此亟需大力推動含能材料增材制造創新技術的發展。現階段的主要任務是：

(1)開發增材制造專用新材料、新配方，建立健全“含能原材料-配方-工藝-性能”全流程的專家數據庫；(2)根據含能材料配方的流變、安全等特征屬性，研制專用增材制造核心裝備，開發專門配套軟件，實現自主可控，滿足安全防爆、在線監測、遠程自動化操控需求；(3)建立含能材料增材制造基礎理論，解析不同含能材料方向的成型機理，從而指導新材料的制備，新結構的設計與制造等；(4)制定增材制造含能材料產品檢測與評價規范標準。

在此基礎上，含能材料增材制造技術的進一步發展方向應當著眼于：(1)探索梯度結構-功能一體化設計原理與增材制造機理，控形/控性相統一，實現武器裝備的威力可調、動力隨控；(2)引入智能化(自適應、自修復、自感知)、納-微-宏觀跨尺度、極端條件等新理念，突破含能材料的4D打印顛覆性技術；(3)重點挖掘含能材料增材制造的具體應用領域，與傳統制造協調發展，共同助力我國先進武器裝備的創新發展。