專利名稱:疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料及其制備方法和用其制備的靶帶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光推進技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料及其制備方法和用其制備的靶帶。
背景技術(shù)：
激光微推進技術(shù)可實現(xiàn)小衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道保持，具有沖量比特小、系統(tǒng)質(zhì)量輕、推力可調(diào)范圍寬、無噴嘴結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，工作模式多采用透射式，在空間微推進領(lǐng)域具有不可替代的地位。由于小衛(wèi)星在重量和能量方面的限制，必須使用較小功率的激光器(彡1W)，激光器發(fā)射的波長在近紅外段(93(T980nm)、脈沖時間為100 μ s 200ms，長脈沖時間限定了燒蝕材料必須為低導(dǎo)熱率的高分子材料。目前激光微推進用靶材料由基底和燒蝕層組成，為保證推力器的使用壽命，靶材料必須具有一定的長度(幾十厘米至幾百米)、寬度(幾厘米)、厚度(幾微米到幾百微米)和撓度(可纏繞在滾輪上)，并且燒蝕層和基底要粘結(jié)牢固。
不同的高分子物質(zhì)在激光燒蝕時，產(chǎn)生的比沖、沖量耦合系數(shù)、能量轉(zhuǎn)化率具有較大差別，選擇高比沖的物質(zhì)可以滿足激光微推進姿態(tài)控制的需要，高沖量耦合系數(shù)的物質(zhì)可以滿足姿態(tài)保持的需要。根據(jù)工質(zhì)是否含能，可將燒蝕工質(zhì)分為惰性工質(zhì)和含能工質(zhì)。根據(jù)能量守恒，惰性工質(zhì)的燒蝕效率不會超過100%，但若激光能量能夠誘導(dǎo)含能工質(zhì)的分解反應(yīng)，在激光能量和化學(xué)能的共同作用下激光能量的利用效率可突破100%。PVC是最好的惰性介質(zhì),其最大沖量耦合系數(shù)可達19dyn/w，最大比沖可達1800s，最高燒蝕效率為49%。PVC可滿足SAT-21型小衛(wèi)星的使用要求并且易于制備，但其能量利用率低，飛行器需攜帶大量工質(zhì)增加了設(shè)備重量，在連續(xù)使用過程中存在著放氣量過大的問題，并且含碳的噴濺產(chǎn)物的擴散角度過大。由于受到微推力器重量的限制，激光器的功率和攜帶的工質(zhì)質(zhì)量都受到限制，所以降低工質(zhì)的燒蝕閾值，提高燒蝕效率勢在必行。
激光微推進器的靶帶設(shè)計一般分為反射式和透射式兩種，透射式情況下激光通過高燒蝕閾值的透明基底燒蝕背面的工質(zhì)產(chǎn)生推力，與反射式相比具有可避免光學(xué)鏡頭污染和光路易于搭建兩大突出優(yōu)點，目前的研究主要集中在透射式。透射式的作用模式?jīng)Q定了靶帶分為基底和燒蝕層兩層。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種燒蝕閾值低、能滿足激光微推進能量需求，燒蝕層與基底能很好粘結(jié)的燒蝕材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料的方法。
本發(fā)明的還一目的提供了一種用上述燒蝕材料制備的靶帶。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料，包括以下重量份的成分:[0010]疊氮類材料 5-80份，
高能材料5-70份，
添加劑5-15份。
其中，所述疊氮類材料為含有疊氮類光敏基團的含能物質(zhì)，如聚疊氮縮水甘油醚(GAP)、3，3-二疊氮甲基氧雜丁環(huán)(BAMO)等。由于疊氮類材料含有光敏基團，對光的吸收較好，能降低燒蝕閾值，并且疊氮基含能，在燒蝕過程中可分解釋放能量。在激光與燒蝕層作用過程中，首先激發(fā)燒蝕閾值較低的疊氮類材料，疊氮類材料分解釋放的能量一部分形成高溫氣團，反噴產(chǎn)生推力，另一部分能量通過熱傳導(dǎo)誘發(fā)較鈍感的高能材料高含能物質(zhì)的分解，從而大大提高了激光能量的利用率。由于疊氮類材料的光敏特性，疊氮類材料可以代替或者部分代替光吸收劑，增加含能組分在總配方中所占的比例，并可避免納米碳等光吸收劑的相容性和團聚等問題。同時，高能材料具有一定的粘性，可以改善燒蝕層與基底的粘結(jié)性，高能材料可以通過交聯(lián)反應(yīng)或分子間力、氫鍵等大大改善與基底的粘結(jié)性，避免脫膠等現(xiàn)象。
本發(fā)明的聞能材料是具有聞能量密度的含能材料，聞能材料的分解放熱可提聞激光能量的利用效率。同時選用的高能材料均感度較低，保證了燒蝕帶的儲存、運輸、發(fā)射的安全性。選擇的高能材料與疊氮類材料必須具有很好的相容性，可與疊氮類材料共存。優(yōu)選的，所述高能材料為單基藥、雙基藥、PMMA、黑索金、六硝基蔵、奧克托今、聚乙烯醇硝酸酯
坐寸ο
本發(fā)明的添加劑，主要包括光吸收劑、固化劑、催化劑、流平劑、消泡劑、穩(wěn)定劑等。所述光吸收劑主要有納米級碳粉、微米級碳粉和液體紅外吸收劑等，液體紅外吸收劑主要為Exciton IRA980等，光吸收劑`的加入可以改善高分子供能材料對激光的吸收性，提高燒蝕效率，納米碳等小粒子物質(zhì)還可以填補鏈段之間的空隙提高物理吸附作用。固化劑主要用于部分粘結(jié)劑的交聯(lián)反應(yīng)，使液體組分交聯(lián)固化。常用的固化劑有六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(ΙΗ)Ι)、4，4’進一步地，本發(fā)明還提供了所述疊氮類敏化型高能燒蝕材料的制備方法，其包括如下步驟:
(I)按比例準備疊氮類材料、高能材料和添加劑，并分別用溶劑溶解，得疊氮類材料溶液、高能材料溶液和添加劑溶液；
( 2)按比例將步驟(I)所得疊氮類材料溶液與高能材料溶液混合,并攪拌均勻；
(3)對于化學(xué)干燥的材料，向步驟(2)所得混合溶液中滴加固化劑溶液，通過化學(xué)反應(yīng)使混合溶液達到所需粘度；對于物理干燥的材料，通過控制溶劑與溶質(zhì)的配比達到所需粘度；
(4)向步驟(3)所得混合溶液中加入除固化劑以外的添加劑溶液，得疊氮類敏化型高能燒蝕材料溶液，調(diào)節(jié)燒蝕溶液的總粘度為15秒至20秒(涂-4杯測試)。
優(yōu)選的，步驟(1)中所述溶劑為丙酮、乙酸乙酯、二甲苯、乙醇或乙酸丁酯中的一種或幾種。
優(yōu)選的，步驟(1)中所述的溶液中疊氮類材料溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為10°/Γ70%，高能材料溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為1°/Γ40%，添加劑的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.5 15%。
優(yōu)選的，步驟(2)中所述疊氮類材料溶液與溶質(zhì)的溶液中的疊氮類材料和溶質(zhì)的的重量比為5 80:5 70。
優(yōu)選的，步驟(3)中所述化學(xué)反應(yīng)是指疊氮類材料和高能材料的端羥基、端氨基與固化劑中的異氰酸基反應(yīng)，生成異氰酸酯基，使供能材料自身、改善粘結(jié)性材料自身或供能材料與粘結(jié)性材料之間發(fā)生交聯(lián)固化；所述溶劑優(yōu)選為，二甲苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醚等的一種或幾種的混合溶液，溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為20%~80%。
優(yōu)選的，步驟(3)中所述固化劑的用量與步驟(4)所述除固化劑以外的添加劑的用量和與疊氮類材料和高能材料的重量比為5 15:5^80:5 70。其中所述除固化劑以外的添加劑是指包括光吸收劑、催化劑、流平劑、消泡劑或穩(wěn)定劑等中的一種或幾種或全部。疊氮類材料、高能材料和添加劑
進一步地，本發(fā)明提供了一種激光微推進透射式靶帶，其包括上述疊氮類敏化型高能燒蝕材料。
更進一步地，本發(fā)明還提供了所述激光微推進透射式靶帶的制備方法，其包括如下步驟:
(1)使用刮涂或噴涂的方法將疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料混合液加工至基底，得靶帶材料；
(2)將步驟(1)所得靶帶材料在50~200攝氏度的條件下干燥2 10個小時，重復(fù)加工21次，使固化后的干膜厚度達到10微米；
(3)將步驟(2)所得靶帶干膜在自然條件下干燥1~ 72小時；
(4)將步驟(3)所得靶帶干膜在真空烘箱中，30帕及以下壓力，20~100攝氏度條件下徹底烘干，得到激光微推進透射式靶帶。
優(yōu)選的，所述基底為聚酰亞胺膜、PET膜、醋酸纖維素膜、BOPP膜等。
更進一步地，本發(fā)明還提供了所述疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料透射靶燒蝕材料在激光微推進飛行器中的應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明所述的疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料充分利用了疊氮類物質(zhì)的光敏含能且具有粘性的特性。疊氮類高分子含有光敏基團，可有效吸收激光能量，降低燒蝕閾值，搭載在微小衛(wèi)星上，可降低對激光器的功率要求，減輕激光器的重量，減小微推力器攜帶的工質(zhì)重量，滿足微小衛(wèi)星的輕型化要求。疊氮類物質(zhì)是一種具有較高能量密度的物質(zhì)，本身含能，在分解過程中可釋放出較多熱量，分解的熱量一部分用于能量密度更高但對激光不敏感的物質(zhì)，進一步提高激光能量利用率；另一部分可直接產(chǎn)生高溫高壓氣團，產(chǎn)生推力，所以疊氮類高分子對微推力器不產(chǎn)生額外負重，提高激光能量利用率。疊氮類高分子本身具有粘性，是一種相容性很好的粘結(jié)劑。加入疊氮類高分子的高能燒蝕材料與基底粘結(jié)不必使用其他粘結(jié)材料，避免了粘結(jié)層對透射激光的吸收，減小了激光能量的耗散，可有效提高激光能量利用率，燒蝕產(chǎn)物的分解也更加純凈徹底，減小了產(chǎn)物飛散的擴散角，在長靶帶的制備過程中，使用本發(fā)明所述材料可省去刷膠過程，簡化了生產(chǎn)流程，更易于控制燒蝕層的厚度，便于規(guī)?；a(chǎn)。
通過上述方法制得的燒蝕層材料利用了疊氮類高分子的光敏高能具有粘性的特點，綜合了疊氮類材料和高能材料的能量，具有燒蝕閾值低、含能高、具有粘性的優(yōu)點，基底與燒蝕材料的粘結(jié)性可滿足使用要求，激光能量利用率也可滿足使用要求。


圖1是本發(fā)明所述的激光微推進用靶材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是實施例1的沖量耦合系數(shù)-脈寬關(guān)系圖。
圖3是燒蝕孔的共聚焦斷層掃描圖。
圖4是實施例2的沖量耦合系數(shù)-脈寬關(guān)系圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及其具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護方位并不局限于以下實例，應(yīng)包含權(quán)利要求
書中的全部內(nèi)容。
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法，所使用的材料、試齊U、還原性氣體，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
實施例1:制備
按照以下比例制備燒蝕材料:
疊氮類材料 79份，
高能材料8份，
添加劑13份。
(I)按上述比例準備疊氮類材料、高能材料和添加劑，并分別用溶劑溶解，得疊氮類材料溶液、高能材料溶液和添加劑溶液；
其中，疊氮類材料:5克GAP溶解于20毫升乙酸乙酯。
高能材料:0.51克單基藥溶于40毫升乙酸乙酯，靜置24小時。
添加劑:0.5毫升六亞甲基二異氰酸酯(HDI)溶于5ml乙酸乙酯，0.0lml 二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，0.31克納米碳溶于3ml乙酸乙酯。
( 2 )將步驟(I)所得疊氮類材料溶液與高能材料溶液混合，并攪拌均勻；
(3)向步驟(2)所得混合溶液中滴加0.0lml 二月桂酸二丁基錫，攪拌20分鐘后，滴加六亞甲基二異氰酸酯(HDI)溶液，通過化學(xué)反應(yīng)達到粘度為15s (涂-4杯測試)，攪拌均勻得疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料混合液。
靶帶的制備:
( I)使用刮涂方法將上述自粘型激光微推進透射靶燒蝕材料混合液加工至PET基底，底部加熱溫度為70攝氏度，上部空氣加熱溫度為25攝氏度，100微米刮刀循環(huán)刮涂3次，得以PET為基底的靶帶材料；
(2)將步驟(I)所得靶帶干膜在自然條件下干燥20小時；
(3)將步驟(2)所得靶帶干膜在真空烘箱中，30帕壓力，70攝氏度條件下徹底烘干，得到激光微推進透射式靶帶。
制得測試用靶帶，靶帶厚度為60微米，經(jīng)百格刀測試基底與自粘性燒蝕層粘結(jié)性達到GB9286-98所述的5B級，可滿足使用要求。
表I實施例1使用的配方組成
權(quán)利要求
1.一種疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料，包括以下重量份的成分: 疊氮類材料 5-80份， 高能材料5-70份， 添加劑5-15份。
2.如權(quán)利要求
1所述的燒蝕材料，其特征在于，所述疊氮類材料為聚疊氮縮水甘油醚或3，3_ 二疊氮甲基氧雜丁環(huán)。
3.如權(quán)利要求
1所述的燒蝕材料，其特征在于，所述高能材料為單基藥、雙基藥、PMMA、黑索金、六硝基蔵、奧克托今或聚乙烯醇硝酸酯中的一種或幾種。
4.如權(quán)利要求
1所述的燒蝕材料，其特征在于，所述添加劑包括光吸收劑、催化劑、固化劑、流平劑、消泡劑或穩(wěn)定劑中的一種或幾種或全部。
5.如權(quán)利要求
4所述的燒蝕材料，其特征在于，所述光吸收劑為納米微米級碳粉或液體紅外吸收劑；所述催化劑為二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫或胺類催化劑；所述固化劑為六亞甲基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯或4，4’6.一種制備權(quán)利要求
f 5任意一項所述燒蝕材料的方法，其包括如下步驟: (1)按比例準備疊氮類材料、高能材料和添加劑，并分別用溶劑溶解，得疊氮類材料溶液、高能材料溶液和添加劑溶液； (2 )按比例將步驟(I)所得疊氮類材料溶液與高能材料溶液混合，并攪拌均勻； (3)對于化學(xué)干燥的材料，向步驟(2)所得混合溶液中滴加固化劑溶液，通過化學(xué)反應(yīng)使混合溶液達到所需粘度；對于物理干燥的材料，通過控制溶劑與溶質(zhì)的配比達到所需粘度； (4)向步驟(3)所得混合溶液中加入除固化劑以外的添加劑溶液，得疊氮類敏化型高能燒蝕材料溶液，調(diào)節(jié)燒蝕溶液的總粘度為15 20秒。
7.如權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述溶劑為丙酮、乙酸乙酯、二甲苯、乙醇或乙酸丁酯中的一種或幾種。
8.如權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的溶液中疊氮類材料溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為10°/Γ70%，高能材料溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為1°/Γ40%，添加劑的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.5 15%。
9.一種激光微推進透射式靶帶，其特征在于，包括權(quán)利要求
f 5任意一項所述疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料。
10.一種制備權(quán)利要求
9所述激光微推進透射式靶帶的制備方法，其包括如下步驟: (O使用刮涂或噴涂的方法將疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料混合液加工至基底，得革El帶材料； (2)將步驟(I)所得靶帶材料在5(Γ200攝氏度的條件下干燥2 10個小時，重復(fù)加工2^8次，使固化后的干膜厚度達到1(Γ200微米； (3)將步驟(2)所得靶帶干膜在自然條件下干燥廣72小時； (4)將步驟(3)所得靶帶干膜在真空烘箱中，30帕及以下壓力，2(Γ100攝氏度條件下徹底烘干，得到激光微推進透射式靶帶。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料，包括以下重量份的成分疊氮類材料5-80份，高能材料5-70份，添加劑5-15份。本發(fā)明還提供了一種制備所述疊氮類高分子敏化型高能燒蝕材料的方法，以及由該燒蝕材料所制備的靶帶。通過上述方法制得的燒蝕層材料利用了疊氮類高分子的光敏高能具有粘性的特點，綜合了疊氮類材料和高能材料的能量，具有燒蝕閾值低、含能高、具有粘性的優(yōu)點，基底與燒蝕材料的粘結(jié)性可滿足使用要求，激光能量利用率也可滿足使用要求。
文檔編號C06D5/08GKCN103073370SQ201210584010
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日
發(fā)明者焦龍, 蔡建, 馬宏昊, 張興華, 林謀金, 沈兆武, 唐志平 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan