专利名称:叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料及其制备方法和用其制备的靶带的制作方法
技术领域：
本发明属于激光推进技术领域：
，具体涉及一种叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料及其制备方法和用其制备的靶带。
背景技术：
激光微推进技术可实现小卫星的姿态控制和轨道保持，具有冲量比特小、系统质量轻、推力可调范围宽、无喷嘴结构等优点，工作模式多采用透射式，在空间微推进领域具有不可替代的地位。由于小卫星在重量和能量方面的限制，必须使用较小功率的激光器(彡1W)，激光器发射的波长在近红外段(93(T980nm)、脉冲时间为100 μ s 200ms，长脉冲时间限定了烧蚀材料必须为低导热率的高分子材料。目前激光微推进用靶材料由基底和烧蚀层组成，为保证推力器的使用寿命，靶材料必须具有一定的长度(几十厘米至几百米)、宽度(几厘米)、厚度(几微米到几百微米)和挠度(可缠绕在滚轮上)，并且烧蚀层和基底要粘结牢固。
不同的高分子物质在激光烧蚀时，产生的比冲、冲量耦合系数、能量转化率具有较大差别，选择高比冲的物质可以满足激光微推进姿态控制的需要，高冲量耦合系数的物质可以满足姿态保持的需要。根据工质是否含能，可将烧蚀工质分为惰性工质和含能工质。根据能量守恒，惰性工质的烧蚀效率不会超过100%，但若激光能量能够诱导含能工质的分解反应，在激光能量和化学能的共同作用下激光能量的利用效率可突破100%。PVC是最好的惰性介质,其最大冲量耦合系数可达19dyn/w，最大比冲可达1800s，最高烧蚀效率为49%。PVC可满足SAT-21型小卫星的使用要求并且易于制备，但其能量利用率低，飞行器需携带大量工质增加了设备重量，在连续使用过程中存在着放气量过大的问题，并且含碳的喷溅产物的扩散角度过大。由于受到微推力器重量的限制，激光器的功率和携带的工质质量都受到限制，所以降低工质的烧蚀阈值，提高烧蚀效率势在必行。
激光微推进器的靶带设计一般分为反射式和透射式两种，透射式情况下激光通过高烧蚀阈值的透明基底烧蚀背面的工质产生推力，与反射式相比具有可避免光学镜头污染和光路易于搭建两大突出优点，目前的研究主要集中在透射式。透射式的作用模式决定了靶带分为基底和烧蚀层两层。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种烧蚀阈值低、能满足激光微推进能量需求，烧蚀层与基底能很好粘结的烧蚀材料。
本发明的另一目的在于提供一种制备叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料的方法。
本发明的还一目的提供了一种用上述烧蚀材料制备的靶带。
为了实现本发明的目的，本发明的技术方案如下:
一种叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料，包括以下重量份的成分:[0010]叠氮类材料 5-80份，
高能材料5-70份，
添加剂5-15份。
其中，所述叠氮类材料为含有叠氮类光敏基团的含能物质，如聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、3，3-二叠氮甲基氧杂丁环(BAMO)等。由于叠氮类材料含有光敏基团，对光的吸收较好，能降低烧蚀阈值，并且叠氮基含能，在烧蚀过程中可分解释放能量。在激光与烧蚀层作用过程中，首先激发烧蚀阈值较低的叠氮类材料，叠氮类材料分解释放的能量一部分形成高温气团，反喷产生推力，另一部分能量通过热传导诱发较钝感的高能材料高含能物质的分解，从而大大提高了激光能量的利用率。由于叠氮类材料的光敏特性，叠氮类材料可以代替或者部分代替光吸收剂，增加含能组分在总配方中所占的比例，并可避免纳米碳等光吸收剂的相容性和团聚等问题。同时，高能材料具有一定的粘性，可以改善烧蚀层与基底的粘结性，高能材料可以通过交联反应或分子间力、氢键等大大改善与基底的粘结性，避免脱胶等现象。
本发明的闻能材料是具有闻能量密度的含能材料，闻能材料的分解放热可提闻激光能量的利用效率。同时选用的高能材料均感度较低，保证了烧蚀带的储存、运输、发射的安全性。选择的高能材料与叠氮类材料必须具有很好的相容性，可与叠氮类材料共存。优选的，所述高能材料为单基药、双基药、PMMA、黑索金、六硝基蔵、奥克托今、聚乙烯醇硝酸酯
坐寸ο
本发明的添加剂，主要包括光吸收剂、固化剂、催化剂、流平剂、消泡剂、稳定剂等。所述光吸收剂主要有纳米级碳粉、微米级碳粉和液体红外吸收剂等，液体红外吸收剂主要为Exciton IRA980等，光吸收剂`的加入可以改善高分子供能材料对激光的吸收性，提高烧蚀效率，纳米碳等小粒子物质还可以填补链段之间的空隙提高物理吸附作用。固化剂主要用于部分粘结剂的交联反应，使液体组分交联固化。常用的固化剂有六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(ΙΗ)Ι)、4，4’进一步地，本发明还提供了所述叠氮类敏化型高能烧蚀材料的制备方法，其包括如下步骤:
(I)按比例准备叠氮类材料、高能材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得叠氮类材料溶液、高能材料溶液和添加剂溶液；
( 2)按比例将步骤(I)所得叠氮类材料溶液与高能材料溶液混合,并搅拌均匀；
(3)对于化学干燥的材料，向步骤(2)所得混合溶液中滴加固化剂溶液，通过化学反应使混合溶液达到所需粘度；对于物理干燥的材料，通过控制溶剂与溶质的配比达到所需粘度；
(4)向步骤(3)所得混合溶液中加入除固化剂以外的添加剂溶液，得叠氮类敏化型高能烧蚀材料溶液，调节烧蚀溶液的总粘度为15秒至20秒(涂-4杯测试)。
优选的，步骤(1)中所述溶剂为丙酮、乙酸乙酯、二甲苯、乙醇或乙酸丁酯中的一种或几种。
优选的，步骤(1)中所述的溶液中叠氮类材料溶质的质量分数为10°/Γ70%，高能材料溶质的质量分数为1°/Γ40%，添加剂的溶质质量分数为0.5 15%。
优选的，步骤(2)中所述叠氮类材料溶液与溶质的溶液中的叠氮类材料和溶质的的重量比为5 80:5 70。
优选的，步骤(3)中所述化学反应是指叠氮类材料和高能材料的端羟基、端氨基与固化剂中的异氰酸基反应，生成异氰酸酯基，使供能材料自身、改善粘结性材料自身或供能材料与粘结性材料之间发生交联固化；所述溶剂优选为，二甲苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醚等的一种或几种的混合溶液，溶液中溶质的质量分数为20%~80%。
优选的，步骤(3)中所述固化剂的用量与步骤(4)所述除固化剂以外的添加剂的用量和与叠氮类材料和高能材料的重量比为5 15:5^80:5 70。其中所述除固化剂以外的添加剂是指包括光吸收剂、催化剂、流平剂、消泡剂或稳定剂等中的一种或几种或全部。叠氮类材料、高能材料和添加剂
进一步地，本发明提供了一种激光微推进透射式靶带，其包括上述叠氮类敏化型高能烧蚀材料。
更进一步地，本发明还提供了所述激光微推进透射式靶带的制备方法，其包括如下步骤:
(1)使用刮涂或喷涂的方法将叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料混合液加工至基底，得靶带材料；
(2)将步骤(1)所得靶带材料在50~200摄氏度的条件下干燥2 10个小时，重复加工21次，使固化后的干膜厚度达到10微米；
(3)将步骤(2)所得靶带干膜在自然条件下干燥1~ 72小时；
(4)将步骤(3)所得靶带干膜在真空烘箱中，30帕及以下压力，20~100摄氏度条件下彻底烘干，得到激光微推进透射式靶带。
优选的，所述基底为聚酰亚胺膜、PET膜、醋酸纤维素膜、BOPP膜等。
更进一步地，本发明还提供了所述叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料透射靶烧蚀材料在激光微推进飞行器中的应用。
本发明的有益效果如下:
本发明所述的叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料充分利用了叠氮类物质的光敏含能且具有粘性的特性。叠氮类高分子含有光敏基团，可有效吸收激光能量，降低烧蚀阈值，搭载在微小卫星上，可降低对激光器的功率要求，减轻激光器的重量，减小微推力器携带的工质重量，满足微小卫星的轻型化要求。叠氮类物质是一种具有较高能量密度的物质，本身含能，在分解过程中可释放出较多热量，分解的热量一部分用于能量密度更高但对激光不敏感的物质，进一步提高激光能量利用率；另一部分可直接产生高温高压气团，产生推力，所以叠氮类高分子对微推力器不产生额外负重，提高激光能量利用率。叠氮类高分子本身具有粘性，是一种相容性很好的粘结剂。加入叠氮类高分子的高能烧蚀材料与基底粘结不必使用其他粘结材料，避免了粘结层对透射激光的吸收，减小了激光能量的耗散，可有效提高激光能量利用率，烧蚀产物的分解也更加纯净彻底，减小了产物飞散的扩散角，在长靶带的制备过程中，使用本发明所述材料可省去刷胶过程，简化了生产流程，更易于控制烧蚀层的厚度，便于规模化生产。
通过上述方法制得的烧蚀层材料利用了叠氮类高分子的光敏高能具有粘性的特点，综合了叠氮类材料和高能材料的能量，具有烧蚀阈值低、含能高、具有粘性的优点，基底与烧蚀材料的粘结性可满足使用要求，激光能量利用率也可满足使用要求。
图1是本发明所述的激光微推进用靶材料结构示意图。
图2是实施例1的冲量耦合系数-脉宽关系图。
图3是烧蚀孔的共聚焦断层扫描图。
图4是实施例2的冲量耦合系数-脉宽关系图。
具体实施方式
下面结合附图及其具体实施方式
详细介绍本发明。但本发明的保护方位并不局限于以下实例，应包含权利要求
书中的全部内容。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所使用的材料、试齐U、还原性气体，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1:制备
按照以下比例制备烧蚀材料:
叠氮类材料 79份，
高能材料8份，
添加剂13份。
(I)按上述比例准备叠氮类材料、高能材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得叠氮类材料溶液、高能材料溶液和添加剂溶液；
其中，叠氮类材料:5克GAP溶解于20毫升乙酸乙酯。
高能材料:0.51克单基药溶于40毫升乙酸乙酯，静置24小时。
添加剂:0.5毫升六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶于5ml乙酸乙酯，0.0lml 二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，0.31克纳米碳溶于3ml乙酸乙酯。
( 2 )将步骤(I)所得叠氮类材料溶液与高能材料溶液混合，并搅拌均匀；
(3)向步骤(2)所得混合溶液中滴加0.0lml 二月桂酸二丁基锡，搅拌20分钟后，滴加六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶液，通过化学反应达到粘度为15s (涂-4杯测试)，搅拌均匀得叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料混合液。
靶带的制备:
( I)使用刮涂方法将上述自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液加工至PET基底，底部加热温度为70摄氏度，上部空气加热温度为25摄氏度，100微米刮刀循环刮涂3次，得以PET为基底的靶带材料；
(2)将步骤(I)所得靶带干膜在自然条件下干燥20小时；
(3)将步骤(2)所得靶带干膜在真空烘箱中，30帕压力，70摄氏度条件下彻底烘干，得到激光微推进透射式靶带。
制得测试用靶带，靶带厚度为60微米，经百格刀测试基底与自粘性烧蚀层粘结性达到GB9286-98所述的5B级，可满足使用要求。
表I实施例1使用的配方组成
权利要求
1.一种叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料，包括以下重量份的成分: 叠氮类材料 5-80份， 高能材料5-70份， 添加剂5-15份。
2.如权利要求
1所述的烧蚀材料，其特征在于，所述叠氮类材料为聚叠氮缩水甘油醚或3，3_ 二叠氮甲基氧杂丁环。
3.如权利要求
1所述的烧蚀材料，其特征在于，所述高能材料为单基药、双基药、PMMA、黑索金、六硝基蔵、奥克托今或聚乙烯醇硝酸酯中的一种或几种。
4.如权利要求
1所述的烧蚀材料，其特征在于，所述添加剂包括光吸收剂、催化剂、固化剂、流平剂、消泡剂或稳定剂中的一种或几种或全部。
5.如权利要求
4所述的烧蚀材料，其特征在于，所述光吸收剂为纳米微米级碳粉或液体红外吸收剂；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡或胺类催化剂；所述固化剂为六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或4，4’6.一种制备权利要求
f 5任意一项所述烧蚀材料的方法，其包括如下步骤: (1)按比例准备叠氮类材料、高能材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得叠氮类材料溶液、高能材料溶液和添加剂溶液； (2 )按比例将步骤(I)所得叠氮类材料溶液与高能材料溶液混合，并搅拌均匀； (3)对于化学干燥的材料，向步骤(2)所得混合溶液中滴加固化剂溶液，通过化学反应使混合溶液达到所需粘度；对于物理干燥的材料，通过控制溶剂与溶质的配比达到所需粘度； (4)向步骤(3)所得混合溶液中加入除固化剂以外的添加剂溶液，得叠氮类敏化型高能烧蚀材料溶液，调节烧蚀溶液的总粘度为15 20秒。
7.如权利要求
6所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述溶剂为丙酮、乙酸乙酯、二甲苯、乙醇或乙酸丁酯中的一种或几种。
8.如权利要求
6所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述的溶液中叠氮类材料溶质的质量分数为10°/Γ70%，高能材料溶质的质量分数为1°/Γ40%，添加剂的溶质质量分数为0.5 15%。
9.一种激光微推进透射式靶带，其特征在于，包括权利要求
f 5任意一项所述叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料。
10.一种制备权利要求
9所述激光微推进透射式靶带的制备方法，其包括如下步骤: (O使用刮涂或喷涂的方法将叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料混合液加工至基底，得革El带材料； (2)将步骤(I)所得靶带材料在5(Γ200摄氏度的条件下干燥2 10个小时，重复加工2^8次，使固化后的干膜厚度达到1(Γ200微米； (3)将步骤(2)所得靶带干膜在自然条件下干燥广72小时； (4)将步骤(3)所得靶带干膜在真空烘箱中，30帕及以下压力，2(Γ100摄氏度条件下彻底烘干，得到激光微推进透射式靶带。
专利摘要
本发明提供了一种叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料，包括以下重量份的成分叠氮类材料5-80份，高能材料5-70份，添加剂5-15份。本发明还提供了一种制备所述叠氮类高分子敏化型高能烧蚀材料的方法，以及由该烧蚀材料所制备的靶带。通过上述方法制得的烧蚀层材料利用了叠氮类高分子的光敏高能具有粘性的特点，综合了叠氮类材料和高能材料的能量，具有烧蚀阈值低、含能高、具有粘性的优点，基底与烧蚀材料的粘结性可满足使用要求，激光能量利用率也可满足使用要求。
文档编号C06D5/08GKCN103073370SQ201210584010
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日
发明者焦龙, 蔡建, 马宏昊, 张兴华, 林谋金, 沈兆武, 唐志平 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan