高精度延期药是点火与起爆序列中的关键部件，要求具有精确且稳定的燃烧速率。硼基延期药属于速燃型短延期材料，能够实现毫秒级的高精度延期作用。然而，由于硼粉表面存在氧化层，其能量无法充分释放，全球学者已针对这一问题开展了大量研究，其中“利用高活性金属与硼的合金化反应破坏氧化层”成为重要研究方向之一。
基于这一反应特性，近期中北大学武碧栋副教授团队进一步创新制备工艺，采用微液滴技术成功制备出B /钛（Ti）/氧化铜（CuO）自组装延期药微球，并系统探究了Ti粉添加量（0%-20%）对微球微观结构、热性能及燃烧行为的影响，为硼基延期药的配方优化与制备工艺提供了重要参考。相关研究以“Preparation of alloyable self-assembled microspheres via micro-droplet technology to enhance combustion performance”为题目，发表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。
本文要点：
1、本研究基于硼（B）与钛（Ti）的合金化反应，采用微液滴技术制备了球形B/Ti/氧化铜（CuO）延期材料，系统探究Ti粉添加量（0%-20%）对微球性能的影响。
2、结果表明，该方法所制微球粒径分布窄、球形度高、分散性好、安全性优良。随Ti含量增加，微球从球形逐渐转变为碗状。
3、点火实验显示，微球及其压装药柱均能实现自持燃烧，火焰温度和燃烧速率随着 Ti 粉末含量的升高而增加，但Ti过量（＞10%）会影响燃烧稳定性。
微滴技术制备可合金化自组装微球核心是通过微流控剪切形成微滴模板，结合溶剂扩散诱导原料自组装，最终实现硼（B）、钛（Ti）、氧化铜（CuO）等合金化反应所需原料的均匀复合，具体可分为3个关键阶段：
1、微滴形成：两相剪切构建反应模板
采用共流微流控通道结构，将含原料粉末的分散相（以乙酸乙酯为溶剂，溶解氟橡胶F₂₆₀₄、硝化棉NC作为复合粘结剂，同时加入B、Ti、CuO纳米粉末，经超声分散形成均匀悬浮液）与连续相（0.2%十二烷基苯磺酸钠SDBS水溶液，起稳定微滴作用）分别通过注射泵以恒定速率注入通道。在同心圆形通道的交汇处，连续相借助剪切力作用于分散相，打破分散相流体并使其形成尺寸均一的微小液滴，为后续自组装提供“微型反应容器”。
2、溶剂扩散：驱动粘结剂析出与原料团聚
形成的微滴从通道进入接收液（去离子水）后，由于分散相溶剂（乙酸乙酯）与接收液存在浓度差，乙酸乙酯会快速向接收液中扩散。随着溶剂扩散，分散相中粘结剂（F₂₆₀₄、NC）的溶解度急剧下降并析出，逐渐形成固态骨架；同时，原本均匀分散在分散相中的B、Ti、CuO原料粉末，在粘结剂析出的“牵引”与液滴收缩的空间约束下，自发向粘结剂骨架聚集，启动自组装过程。
3、自组装定型：形成合金化反应兼容的微球结构
在溶剂持续扩散与粘结剂固化过程中，原料粉末（B、Ti、CuO）随粘结剂的析出逐渐紧密结合，最终形成具有特定结构的微球：无Ti时，B与CuO颗粒迁移速率快，乙酸乙酯扩散均匀，易形成球形微球；加入Ti后，因Ti密度高于B且增加分散相粘度，原料颗粒迁移速率减缓、自重沉降效应增强，微球顶部易塌陷形成碗状结构。最终定型的微球中，B、Ti、CuO颗粒均匀分布（为后续合金化反应提供接触基础），且内部因溶剂扩散留下多孔结构，既保障了原料混合均匀性，又为燃烧时的热量/质量传递创造条件。
图 1：B/Ti/CuO 延期药微球制备过程示意图
图 2：样品的扫描电镜（SEM）图像与粒度分布图：（a-d）分别代表 Ti-0% 至 Ti-20% 的样品；（a1-d1）为对应样品的单颗粒图像；（a2-d2）为对应样品的局部放大图像；（a3-d3）为对应样品的粒度分布统计
图 3：液滴扩散诱导自组装机理图
图 4：样品的内部结构与能谱（EDS）分析图：（a）Ti-20% 样品的整体图像；（a1）Ti-20% 样品的半球形结构图像；（b-e）Ti-0% 至 Ti-20% 样品的截面放大图像；（c1-e1）Ti-5% 至 Ti-20% 样品的高倍放大图像及 EDS 元素分布图像
图 5：样品的圆形度、堆积密度与流动性分析图：（a）圆形度统计结果；（b）堆积密度与流动性（休止角）测试结果
图 6：样品的差示扫描量热（DSC）分析图（a）与机械感度测试图（b）
图 7：样品松散装药点火试验：（a）高速摄影记录的燃烧过程图像；（b）红外热成像记录的火焰温度图像
图 8：样品加压装药点火试验：（a）高速摄影记录的燃烧过程图像；（b）燃烧速率与火焰温度统计结果；（c）压装药柱的火焰宽度测量结果
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138242
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