专利名称:自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料、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：
，具体涉及一种自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料、其制备方法和用其制备的靶带。
背景技术：
2000年Photonics Associates的C.R.Phipps提出了激光微推进的概念，并于2002年搭建成功了第一台测试用预样机，为激光推进的发展开辟了新的方向。激光微推进是利用飞行器搭载的激光器产生的脉冲激光烧蚀其自身携带的靶材产生高温高压气团产生推力，以达到微小卫星的姿态调整或轨道保持的目的。与其他微推进技术相比，激光微推进技术具有质量轻、比冲高、冲量比特小、冲量调节范围大、效率高、使用寿命长、无喷嘴结构等优点，在空间微推进领域具有不可替代的作用。由于透射式激光微推进器具有可避免光学镜头污染和搭建容易的优点，现今的激光微推力器多采用透射式，激光微推进用靶材料由基底和烧蚀层组成。
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920-980nm之间，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。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%。为了最大限度的降低微推力器携带的工质质量，含能工质是较理想的烧蚀材料，但单基药、双基药等含能工质由于本身缺乏粘性，成膜后必须使用聚酰亚胺、酚醛树脂等作为胶黏剂将其药膜粘结在基底上，胶黏剂作为中间层增加了整个靶带的厚度，增加了不必要的重量，影响透光率，降低了激光能量利用率，并且增加了`制造工序，耗时长、效率低。目前，为保证推力器的使用寿命，烧蚀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。针对目前含能烧蚀层在粘结性方面的不足，设计自粘型的含能烧蚀材料势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前透射式激光微推力器靶带加工的不足，设计一种能满足激光微推进能量需求，烧蚀层与基底能很好粘结，能大规模制造的自粘性烧蚀材料。
为了实现本发明的目的，本发明的技术方案如下:
一种自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料，包括以下重量份的成分:
供能材料50 90份，
改善粘结性材料5 40份，
添加剂5 15份。
其中，所述供能材料为烧蚀用高分子材料是激光推进的供能物质，在激光与供能材料相互作用过程中，激光能量被供能材料吸收，因为所用的供能材料本身含能量，供能材料在激光能量的激发下分解放热，产生高温高压气团，产生推力，提高推进效率。优选的，所述供能材料为硝化棉、硝化甘油、1，2，4_ 丁三醇三硝酸酯(BTTN)、单基药、双基药或聚乙烯醇硝酸酯中的一种或几种。
所述改善粘结性材料是指为改善供能材料与基底的粘结性而采用的具有粘性的物质。所述改善粘结性材料与供能材料必须具有很好的相容性，对供能材料可以进行包覆或共存。同时，所述改善粘结性材料可以通过交联反应或分子间力、氢键等与基底进行很好的粘结。优选的，所述改善粘结性材料为酚醛树脂、聚酰亚胺、端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚叠氮缩水甘油醚(GAP)中的一种或几种。
所述各种添加剂包括光吸收剂、催化剂、固化剂、流平剂、消泡剂或稳定剂等中的一种或几种或全部。
其中，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。催化剂主要是为加快固化速度而添加的物质，主要有二月桂酸二丁基锡(DBTDL)、辛酸亚锡、甲基二乙酸胺等。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(iroi)、4，4’_ 二苯基甲烷二异氰酸酯等。流平剂是能改善湿膜流动性的物质，流平剂的主要作用是降低混合组分间的表面张力，增加流动性，使表面达到光滑、平整，从而获得无针孔、缩孔、刷痕和橘皮等表面缺陷的致密烧蚀层。流平剂主要是醋酸丁酸纤维素(CAB)，例如EASTMAN公司的CAB381-0.l,CAB551-0.0LCAB381-20等。由于某些物质的引入以及搅拌等机械物理因素，溶液往往会产生泡沫，能防止产生泡沫的物质称为消泡剂，或者称为抗泡剂和防泡剂。消泡剂主要有BYK-141，Pernol El等。稳定剂主要是为满足外太空的强辐射、高温、真空等特殊环境要求的而添加的物质，如紫外光吸收剂、抗氧剂等，例如2-羟基-4甲氧基二苯甲酮(UV-9)、TINUVIN328等紫外光吸 收剂和TINUVIN292等抗氧剂。
进一步地，本发明还提供了所述自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料的制备方法，其包括如下步骤:
(I)按比例准备供能材料、改善粘结性材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得供能材料溶液、改善粘结性材料溶液和添加剂溶液；
(2)按比例将步骤(I)所得供能材料溶液与改善粘结性材料溶液混合，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，得自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液，调节烧蚀溶液的总粘度为15 20s (涂-4杯测试)。
优选的，步骤⑴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(I)中所述的溶液中供能材料质量分数为I % 70%，改善粘结性物质溶质的质量分数为1% 40%，添加剂的溶质质量分数为0.5% 15%。
优选的，步骤(2)中所述供能材料溶液与改善粘结性材料溶液中的供能材料和改善粘结性材料的重量比为50 90: 5 40。
优选的，步骤(3)中所述化学反应是指供能材料和改善粘结性材料的端羟基、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% -60%。
优选的，步骤(3)中所述固化剂的用量与步骤⑷所述除固化剂以外的添加剂的用量和与供能材料和改善粘结性材料的重量比为5 15: 50 90: 5 40。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。
进一步地，本发明提供了一种激光微推进透射式靶带，其包括上述自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料。
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:
(I)使用刮涂或喷涂的方法将自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液加工至基底，得靶带材料；
(2)将步骤(I)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2 8次，使固化后的干膜厚度达到10 200微米；
(3)将步骤⑵所得靶带干膜在自然条件下干燥I 72小时；
(4)将步骤⑶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。
本发明的有益效果如下:
本发明所得的烧蚀层材料具有粘性并且包含含能工质，基底与烧蚀材料的粘结性可满足使用要求，含能工质的化学能可被激发释放，提高激光能量利用率，满足微推力器的使用要求。
本发明所述的自粘型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。
图1是本发明所述的激光微推进用靶材料示意图。
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制备自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液及其靶带
按照以下比例制备烧蚀材料:
供能材料60份，
改善粘结性材料35份，
添加剂5份。
(I)按上述比例准备供能材料、改善粘结性材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得供能材料溶液、改善粘结性材料溶液和添加剂溶液；
其中，供能材料:8克单基药溶于120毫升乙酸乙酯，静置24小时后用搅拌器搅拌均匀。
改善粘结性材料:4.6克HTPB溶解于10毫升乙酸乙酯。
添加剂:0.7克纳米碳溶于5ml乙酸乙酯、0.2毫升六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶于2ml乙酸乙酯和0.0lml 二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。
(2)将步骤(I)所得供能材料溶液与改善粘结性材料溶液混合，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15分钟后，滴加六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶液，通过化学反应使混合溶液达到粘度为17s (涂-4杯测试)。，搅拌均匀得自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液。
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聚酰亚胺基底，底部加热温度为60摄氏度，上部空气加热温度为25摄氏度，用100微米刮刀循环涂覆4次，得以聚酰亚胺为基底的靶带材料；
(2)将步骤(I)所得靶带干膜在自然条件下干燥15小时；
(3)将步骤⑵所得靶带干膜在真空烘箱中，30帕及以下压力，80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I米长烧蚀靶带，靶带厚度为40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使用的配比
组分单基药 HTPB 乙酸乙酯 HDI DBTDL 纳米碳 舍量60%35%137 毫并 1.99% 0.01%3%
实施例2制备自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液及其靶带
按照以下比例制备烧蚀材料:
供能材料60份，
改善粘结性材料35份，
添加剂5份。
(I)按上述比例准备供能材料、改善粘结性材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得供能材料溶液、改善粘结性材料溶液和添加剂溶液；
其中，供能材料:8克单基药溶于120毫升乙酸乙酯，静置24小时后用搅拌器搅拌均匀。
改善粘结性材料:2.3克HTPB和2.3克GAP混合均匀后，溶于IOml乙酸乙酯。
添加剂:0.7克纳米碳溶于5ml乙酸乙酯、0.2毫升六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶于2ml乙酸乙酯和0.0lml 二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。
(2)将步骤(I)所得供能材料溶液与改善粘结性材料溶液混合，并搅拌均匀；
(3)向步骤⑵所得混合溶液中滴加一滴(0.01ml) 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，通过化学反应使混合溶液达到粘度为15s (涂-4杯测试)，搅拌均匀得自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液。
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，用100微米刮刀循环涂覆5次，得以聚酰亚胺为基底的靶带材料；
(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⑵所得靶带干膜在真空烘箱中，30帕及以下压力，80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，所得靶带厚度为90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4B级，可满足使用要求。
表2实施例2使用的配比
组分单基药 HTPB GAP 乙酸乙酯 HDI DBTDL 纳米碳
含量 60% 20%15% 137 毫升 1.99% 0.01% 3%
实施例3制备粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液及其靶带
按照以下比例制备烧蚀材料:
供能材料90份，
改善粘结性材料5份，
添加剂5份。
(I)按上述比例准备供能材料、改善粘结性材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得供能材料溶液、改善粘结性材料溶液和添加剂溶液；
其中，供能材料:8克单基药溶于120毫升乙酸乙酯，静置24小时后用搅拌器搅拌均匀。
改善粘结性材料:0.5克HTPB溶于5ml乙酸乙酯。
添加剂:0.4克纳米碳溶于2ml乙酸乙酯、0.3毫升六亚甲基二异氰酸酯(HDI)溶于3ml乙酸乙酯和0.0lml 二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。
(2)将步骤(I)所得供能材料溶液与改善粘结性材料溶液混合，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，通过化学反应或加入溶剂使混合溶液达到粘度为15s (涂-4杯测试)，搅拌均匀得自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液。
靶带的制备:[0085](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90摄氏度，上部空气加热温度为25摄氏度，喷枪循环涂覆3次，得以聚酰亚胺为基底的靶带材料；
(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⑵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，所得靶带厚度为75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3实施例3使用的配比
权利要求
1.一种自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料，其特征在于，包括以下重量份的成分: 供能材料50 90份， 改善粘结性材料5 40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，所述供能材料为硝化棉、硝化甘油、BTTN、单基药、双基药或聚乙烯醇硝酸酯中的一种或几种。
3.如权利要求
1所述的烧蚀材料，其特征在于，所述改善粘结性材料为酚醛树脂、聚酰亚胺、端羟基聚丁二烯、聚对苯二甲酸乙二酯或聚叠氮缩水甘油醚中的一种或几种。
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
1 5任意一项所述烧蚀材料的方法，其包括如下步骤: (1)按比例准备供能材料、改善粘结性材料和添加剂，并分别用溶剂溶解，得供能材料溶液、改善粘结性材料溶液和添加剂溶液； (2)按比例将步骤( I)所得供能材料溶液与改善粘结性材料溶液混合，并搅拌均勻; (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，通过控制溶液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，得自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液，调节烧蚀溶液的总粘度为15 20s。
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)所述的溶液中供能材料质量分数为I % 70%，改善粘结性物质溶质的质量分数为I % 40%，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IE带，其特征在于，包括权利要求
1 5任意一项所述自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料。
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: (1)使用刮涂或喷涂的方法将自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料混合液加工至基底，得靶带材料； (2)将步骤(I)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2 8次，使固化后的干膜厚度达到10 200微米； (3)将步骤(2)所得靶带干膜在自然条件下干燥I 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。
专利摘要
本发明提供了一种自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料，包括以下重量份的成分供能材料50～90份，改善粘结性材料5～40份，添加剂5～15份。本发明还提供了一种制备所述自粘型激光微推进透射靶烧蚀材料的方法，以及由该烧蚀材料所制备的靶带。本发明所得的烧蚀层材料具有粘性并且包含含能工质，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。本发明所得的靶带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彻底，减小了产物飞散的扩散角。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。
文档编号C06D5/04GKCN103073371SQ201210584537
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日
发明者焦龙, 马宏昊, 蔡建, 张兴华, 林谋金, 李龙, 沈兆武 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan