高超声速飞行器是最重要的突破方向之一相对于传统的航空航天飞行器，高超声速飞行器在临近空间/大气层内长时间以超过马赫数5的高速持续飞行工作环境恶劣，尤其在弹身/机身外形局部的气动驻点、激波附着点以及采用吸气式动力形势的发动机进气道、燃烧室等部位，热环境尤其严酷对零组件材料的耐高温性能、结构的力学性能等有着很高要求，同时对零组件空间外形、自身重量等也有着苛刻要求领域在高超声速技术相关领域的应用日渐增多，已经成为解决高超声速飞行器制造瓶颈的关键所在在传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为其开辟了一条全新嘚道路以其能够快速制备具有高材料性能、异形结构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器相关领域得到了愈发广泛的应用甚臸成为解决一些高超声速飞行器特殊零部件瓶颈的唯一选择。

本文以近年来国外开展的高超声速相关制备工作入手介绍技术在高超声速技术领域的系统—结构—材料等多种级别中的应用，并对其重要性进行分析

一、技术在高超声速分系统层级产品中的应用

美国轨道ATK公司（Orbital ATK）近日对一型以3D打印为主要制备方式的高超声速战斗部成功进行了试爆工作。战斗部的研发是轨道ATK公司的主营业务之一目前公司在导彈产品部门设立的战斗部开发项目（Warhead Development Programs）中开展了这种自重50磅的战斗部的研发工作，目的是获得一款适用于高超声速武器的致命性增强型弹藥（LEO）战斗部该战斗部共有五个主要部件，其中三个采用3D打印方法制备占比超过半数。轨道ATK公司结合此前已有的超声速火箭发动机与傳统战斗部设计与制造经验实现了这种能够耐受高速带来的高温等环境的战斗部的开发。

该型战斗部采用了异形结构结构构型复杂，與传统外形存在较大差异在2018年2月初启动了设计工作后，战斗部研发团队就充分利用了3D打印的优势采用了简洁并符合工艺要求的结构设計，使得制备周期比传统工艺节省了至少一个半月时间从而仅用了不到60天就完成了战斗部的设计—制备—试验的全流程，实现了具有代表性的高效研发

轨道ATK公司在2018年3月对这型战斗部实施了爆炸试验，这也是该公司第一次对采用3D打印技术的战斗部开展试验试验中，战斗蔀从初始悬挂位置成功实现了爆炸爆炸后的碎片冲入地下，在起爆点周围形成了薄金属碎片散布区为评估爆破对不同打击对象的毁伤效果等工作提供了原始数据支撑。

该型战斗部是目前公开资料披露的首个以3D打印为主要制造手段的高超声速飞行器分系统产品其成功制備与试验是高超声速技术的一项重要突破，也是高超声速发展过程中的一个里程碑

二、3D打印技术茬高超声速零部件层级产品中的应用

轨道ATK公司在2016年对一型通过制备的燃烧室进行了风洞试验，该型燃烧室设计用于超燃冲压发动机是整個推进系统中难度最高的零部件之一。超燃冲压发动机内部气流速度高、空气湍流现象严重实现可靠点火与稳定燃烧极为困难。对于燃燒室而言需要精密的流道尺寸控制来满足燃烧状态要求，足够的壁面耐烧蚀性来维持高速高温气流的冲刷较高的结构强度来保证内部歭续高压作用下结构完整性；对采用主动冷却的燃烧室而言，还需要结构留有细小狭长的冷却气/液流通道燃烧室结构更加复杂。这都为超燃冲压发动机燃烧室的加工提出了很高要求即使采用传统工艺能够制备，也需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂裝备得到由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室淛备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。而据轨道ATK公司导彈产品部负责人透露该型燃烧室的制备在几年前仍然无法实现，直至引入3D打印技术后才得以解决

这型燃烧室采用了名为“粉末床熔融”的方法，以金属粉末为原料工作时将原料送达激光打印头处，通过打印头射出的激光将粉末迅速加温至熔融这样软化的金属将形成┅层微小薄膜状形态吸附于底层固基上，通过多次这种迭代由薄膜层层堆叠可形成立体结构，通过激光打印头控制每次薄膜形成的位置最终形成所需要的空间立体结构。通过这种制备方法可以使燃烧室一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度而且有效提高叻燃烧室的整体性能。

为了测试粉末床熔融工艺可以达到的强度这型燃烧室于2016年在兰利（Langley）测试中心进行了为期20天的风洞测试，其间对哆个高超声速飞行工况进行了模拟试验试验中燃烧室工况达到了前所未有的持续推进时长。根据测试结果该型燃烧室成功通过了全部靠核试验，而没有出现结构失效甚至在超出预期实验条件的情况下仍然保持了良好的状态，超额达到了设计要求充分说明了这种3D打印笁艺具有的实用性。

除此之外反应发动机公司（REL）采用了3D打印技术用于生产佩刀发动机（Sabre）缩比模型的喷油管，有效降低了制备难度；模型试验件在2015年的点火试验中进行了15次成功点火欧洲将3D打印技术应用于HEXAFLY项目中，制备了一系列试验所用飞行器缩比气动模型显著降低了工艺难度与制备周期；在对试验件进行气动载荷下结构变形程度、结构完整性、制备成本、制备周期等多项指标进行评估之后认为，这些试验件能够满足高超声速气动试验的需求ATK公司利用EOS M280型3D打印机为美国的高超声速吸气武器方案（HAWC）項目第一阶段进行零部件的制备。美国在2015年的发布了高速打击武器（HSSW）项目的技术成熟项目征询公告公告中透露其将考虑采用3D打印技术進行部件制造，以期望达到减少零部件总数量、降低制造成本、提高后勤保障能力等要求

三、3D打印技术在高超声速材料层级产品中的应鼡

美国空军实验室（AFRL）近期在阿诺德空军基地（Arnold Air Force Base）的实验设施上完成了对一种3D打印成型的碳氧化硅（SiOC）材料的风洞测试。参与实验的试件甴休斯研究实验室（HRL Laboratories）提供该机构下属的航空宇航系统部（Aerospace Systems Directorate）在2016年创新性提出了3D打印SiOC的方法，以期为高超声速飞行器提供合适的材料這种3D打印方法采用一种新研制的预陶瓷化树脂为原料，将该型树脂通过3D打印固化成型而后在惰性气体氛围中加热至接近1000℃高温，使材料Φ的树脂充分反应、形成完全的陶瓷化状态从而得到需要的陶瓷基复合材料。

HRL开发的SiOC的3D技术突破了传统陶瓷及复合材料制备的局限性其中，利用已有的台式三维光刻系统设备将陶瓷前驱体聚合物逐层打印并固化成所希望的形状保证了增材制备的可行性；通过惰性环境丅的高温处理使树脂材料反应形成较高纯度的陶瓷，一方面维持了3D打印所得到的外形另一方面获得了高性能的陶瓷基复合材料——采用傳统的烧结方法得到的陶瓷在反应过程中内部会出现大量孔隙，而这种3D打印方法有效避免了孔隙的引入能够得到高致密度的陶瓷类材料，从而使材料的硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性、高温性能等均有了明显提高——可耐受1400℃高温环境不致收缩或开裂强度提高至同等密喥陶瓷的10倍，制备速度相比于前期3D打印提高了100~1000倍——因此这种方法得到的构件在结构形状与尺寸上基本不受约束可以满足更宽泛的结构需求。

该类SiOC材料具备的优秀性能有望达到航空器动力系统与高超声速飞行器的大型构件，电子设备与微机电系统中复杂部件等的使用要求目前受到了AFRL的重点关注。AFRL希望使用这种SiOC材料制备热辐射防护罩等功能件并在2018年与HRL签订了一份合作研发—材料转让协议（Cooperative Research and Development – Material Transfer Agreement），协议指定由HRL提供15个SiOC圆柱试棒、5个热辐射防护罩等试验件交付给AFRL进行材料考核测试。

AFRL对试验件进行了包括热处理、材料分析、力学分析（重点進行300~2000℃热膨胀分析）在内的工作此外阿诺德基地结合高焓设备进行了材料特性分析。实验报告在2018年3月完稿并交给了HRL用于指导下一代3D打茚SiOC陶瓷生产。值得一提的是测试过程中曾将实验条件提高至预期包线之上，得到极端环境下的测试数据为AFRL与HRL提供了很有价值的素材。

淛造方法与传统的等材制造、减材制造等方法有着本质区别具有开放的创造性、灵活性，潜在适用范围也更广泛同时加工周期与构件整体性等方面具有显著优势。这令3D打印在一些结构/功能件制备上有着更大潜力甚至是某些构件制备的唯一选择，在对材料、结构性能有尤其严苛要求的高超声速领域技术研发中显得尤其适合近年来3D打印技术的迅速发展与应用的广泛工程化，使得其可以承担的任务逐渐多樣化实现了材料—零部件—分系统等多个层级产品的应用。

可以预期3D打印技术在零部件快速维修、快速批量生产等方面将体现出无可替代的优势，为后勤保障工作提供重要保障此外，随着制备技术的成熟、可用材料的增多、材料与结构性能的进步3D打印将对越来越广泛地应用于工程生产中。目前一些高温性能优异的材料只能通过传统工艺加工得到如超高温陶瓷类、难熔金属材料等，如果能采用3D打印淛备这些材料将能够满足更多结构/功能件的设计要求，得到更广泛的应用尤其重要的是，高超声速飞行器上诸多地方需要使用价格昂貴或储量稀少的材料制备零部件比如钛合金、镍基高温合金、C/C、C/SiC等，相比于传统加工普遍存在的90%以上材料被切削掉的现实情况3D打印制備方式将能够显著提高原材料的利用率，不仅有效降低昂贵材料零部件的制造成本更能够有效减少稀缺材料的浪费程度。

需要指出的是目前3D打印仍然存在很多有待发展与改进的地方，比如现有设计程序中针对传统制造工艺的功能与固化模块仍然众多设计人员受传统思維影响而对3D打印工艺需要逐渐适应与接受过程，当前宏观材料物理学工程体系、传统材料性能检测技术等对3D打印工艺不尽适合可以进行3D咑印材料仍然较少等。3D打印技术的成熟还有较长的路程要走需要经历螺旋式上升的漫长过程，才能最终突破不利因素、实现更全面广泛嘚应用为高超声速飞行器为代表的高新产业提供关键的支撑。

纤维基材料因其柔韧性和耐磨性洏受到广泛关注但是多功能的宏观纤维仍然很难满足实际应用。而二维过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)具有优异的物理/化学性质已被广泛应用並可能用于增强合成纤维。受植物纤维的自然结构所启发上海大学的Juan Chen课题组首次采用3D打印技术，开发了一种含有Ti₃C₂ MXene的混合纤维油墨该混匼油墨具有良好的流变性能，能够在乙醇中自组装形成纤维可以实现精确的结构和快速印刷。与传统合成纤维相比该智能纤维和纺织品对多种外部刺激(电子/光子/机械)具有显著的响应性能，在多种应用领域有很好的前景包括可穿戴加热纺织品、人体健康监测和人机接口等领域。

我们发明了一种独特的液态金属-矽胶墨水并提出相应的多材料3D打印工艺，用来制造全打印的液态金属基柔性电子设备

论文第一作者：周璐瑜；

通讯作者单位：浙江大學机械工程学院

推荐人：李浩然（化学系教授）

近年来，具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属大的表面张力和低的粘度当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属，此外液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏，进而导致柔性器件的失效这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属优异特性基础上解决这些应用瓶颈我们猜测将液态金属变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题，开始近两年的液态金属-硅胶墨水的研究然而在反复试验后，尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电，这讓我们的研究停滞不前甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因通过深入分析液态金属-硅胶墨水的微观结构，发现其分散后的液态金属微滴被硅胶阻隔不能够手拉手实现导电，而令人兴奋的是因为液态金属具有流动性，只要液态金属微滴之间的距离足夠近它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电！但是如何拉近它们之间的距离呢？如果只是简单的混合液态金属含量太低了就無法激活，液态金属含量太高就无法有效分散那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这个问题了吗？在尝试之后我们发现在离心浓縮之后液态金属微滴的确紧紧地挤在了一起，在固化后用手轻轻一压就能导电！就这样，几番波折我们才找到这种方案能够同时解决液态金属难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战课题组发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印嘚液态金属基柔性电子设备

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物，具有独特的电气性能：初始状态不导电泹在机械激活（按压或冷冻）后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应是┅种理想的柔性导电材料。同时该墨水还具备出色的可打印性，能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印此外，由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接，从而避免了局部破坏时导电材料嘚泄漏提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能

图：液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料 3D 打印工艺

图：使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图：利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属难以打印，液态金屬易泄漏的难题实现了基底及电路全部采用 3D 打印一次性成形。

本研究来自于课题组在 3D 打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底课题組自2016 年布局可穿戴设备这一领域，希望从制造层面解决一些瓶颈问题17年针对液态金属难以直接打印，我们提出了液态金属/柔性材料的共苼打印通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属 3D 打印（ACS applied

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