微推进技术的背后：含能材料制备及封装

图1.神州十二号载人飞船在酒泉卫星发射中心点火升空（图源自网络）

2021年6月17日9时22分，搭载着神州十二号载人飞船的长征二号F运载火箭划破苍穹，酒泉卫星发射中心再次书写问天神话，中国航天又一次勾起了人们满满的回忆。在航天技术领域，人造卫星和载人飞船的发展是宇航事业的重点。伴随着航天技术的日益成熟，现代卫星开始向着微米尺度，乃至纳米尺度发展；微纳卫星具有体积小、耗能低、可执行高难度任务等一系列特点，深受各国科学家的重视。

想要制造高水平、高性能的微纳卫星，必须要在微尺度下实现卫星的推进，在诸多类型的微推进系统中，化学微推进系统具有很强的代表性[1]。近年来，含能材料的发展进入了全新阶段，将其应用在微机电系统（MEMS）中，进一步制成含能推进芯片，可以大幅度提高微纳卫星的推进性能。

含能材料（Energetic Materials），顾名思义，指的是在一定外界能量刺激下，能够自发性发生化学反应并释放能量的物质体系。用于微纳卫星推进的含能材料主要为复合固体推进剂，如纳米铝热剂体系、含氮高能化合物体系等，两者的基础原料不同，制备手段也多种多样。

图2. n-Al@PDA@CuO复合体系包覆过程

在大众的认知之中，铝热剂最早出现在中学化学课本中，夺目耀眼的铝热反应给很多人留下了深刻的影响。纳米铝热剂包含主成分和辅助成分两个部分，主成分为纳米铝粉，较普通铝粉而言具有更小的粒径以及更大的爆炸极限范围[2]，可以大大改善铝热剂的放能效果；辅助成分可以是氧化物，氟化物以及部分有机化合物等。辅助成分是纳米铝热剂制备成功的关键，不同的辅助成分所起的作用也有所差异：氟聚物/铝粉体系中，前者多用于包覆纳米铝粉，以期减缓原料纳米铝粉的氧化程度；经过聚偏二氟乙烯（PVDF）改性的纳米铝粉不仅能达成抗氧化的目的，还可以将PVDF与氧化铝发生氟化反应的放热量用于促进主反应，最终实现抗氧化和促进放热的双赢局面[3]。有机化合物/铝粉体系中，可以借助有机化合物的一级包覆形成桥接界面，进而在双壳层结构的基础上构建二级包覆，西北工业大学的严启龙团队在纳米铝粉表面包覆了多巴胺层，并在多巴胺层表面附着了纳米氧化铜粒子，成功制得了n-Al@PDA@CuO的三壳层结构[4]，如图2所示。从长久来看，氟聚物的发展将进一步促进纳米铝热剂的放能，而具有桥接作用的有机物包覆壳层又将推动纳米铝热剂向着多元化、具体功能化的方向发展。而含氮高能化合物体系的发展历史更为悠久，无论是20世纪70年代兴起的三氨基三硝基苯（TATB）还是当代超群绝伦的六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20），都在固体推进剂领域发挥着重大作用。

含能材料的制备是化学微推进的基础，如何将制成的含能材料整合封装至推进芯片是又一难题。传统的装药工艺多采用浇注法，即在恒温恒压的条件下，利用控制阀将药浆注入推进剂阵列。清华大学尤政等人在真空恒温水浴条件下，成功将AP/HTPB复合推进剂注入MEMS微推进阵列[5]，该方法需要充分考虑药浆的粘度，且制备条件较为严格。而3D打印技术的出现，又给含能芯片的装药工艺带来了全新的研发思路。3D打印技术包括墨水直写技术（Direct Ink Writing）、喷墨打印技术（Inkjet Printing）等，墨水直写技术的应用较为广泛，操作过程如下：将含能材料制成油墨，利用计算机系统控制平移台，从注射泵中将油墨挤出，直写成具有一定图形或结构的点火层，待油墨中的溶剂蒸发后，含能材料则留存于推进芯片的对应区域。Mao等人利用墨水直写技术实现了Al/CuO基含能油墨的整合封装[6]。此外，诸多高校还开展了基于喷墨打印技术的含能油墨整合与封装，制成的含能芯片同样具有良好的推进性能。

3D打印技术的具体分类远不止墨水直写及喷墨打印两种，如何利用其他技术实现含能材料的可塑性操作、如何提高含能油墨的稳定性质，这都是今后科研工作者亟力解决的问题。

图3. 基于墨水直写技术制备的含能芯片的封装（左）和碳化硅MEMS微推力器阵列（右）

2014年春，中国航天科技集团公司五院502所成立了微推进技术研发小组，力求攻克微纳卫星的推进技术难关，五年之后，南京理工大学沈瑞琪团队研制的碳化硅MEMS微推力器阵列伴随金牛座纳星进入太空，接受地面点火指令成功点火，在轨验证了对金牛座纳星的姿态控制技术，属国际首例。随着科技的发展，含能材料还将继续更新换代，3D打印技术也不会是整合封装的终点站，微纳卫星的中国佳话也将继续谱写新的篇章。