一种超高效率的激光微推进的固态工质及制备方法与应用

本发明属于激光微推进用工质制备，具体涉及一种超高效率的激光微推进的固态工质及制备方法与应用。

背景技术：

1、激光推进作为一种具有将近50年历史的推进技术，被认为是一种很有发展前景的微推进技术，在微纳卫星推进中有着重要的应用。然而，目前激光微推进技术在微纳卫星的应用中仍然存在诸多挑战，其中一方面就是工质的选择。工质可以为微纳卫星的姿态调整、变轨等动作提供能量，因此工质决定了微纳卫星的性能和使用寿命。

2、目前，常用的激光微推进剂有聚合物、单元素靶材，如碳和单金属元素等。单元素靶材在激光烧蚀过程中具有烧蚀深度浅，更容易形成等离子体等特点，因此损耗少量的材料就可以获得较高的比冲，但由于其对激光还具有吸收系数大等缺点，因而获得的冲量耦合系数较低。相对于单元素材料，聚合物具有导热系数低、熔点低等特点，所以获得的冲量耦合系数较高，但由于聚合物对激光具有吸收系数小等缺点，所以获得的比冲相对较低。因此，通过将单元素靶材，如金属纳米颗粒或碳纳米颗粒，掺入聚合物中来增强聚合物对激光的吸收，可以获得性能更好的掺杂聚合物。

3、虽然掺杂剂的加入能提高掺杂聚合物对激光的吸收，也能产生局部的高温而提升掺杂聚合物的综合推进性能，但由于单元素颗粒的激光烧蚀阈值和熔沸点均远高于聚合物，在激光微推进过程中，金属纳米颗粒或碳纳米颗粒难于在短时间内完全分解离化，因此掺杂聚合物表面易出现局部坍塌和大颗粒溅射现象，同时还易出现烧蚀产物再凝结、分解产物气化不彻底等问题。另外，该制备方法只是一种简单的物理混合过程，还易造成金属纳米颗粒或碳纳米颗粒的团聚和掺杂不均匀，限制了激光微推进效率的提升，进而影响微纳卫星的性能和使用寿命。

4、因此，设计既有聚合物的高冲量耦合系数又具备单元素材料的高比冲的新型聚合物至关重要。有鉴于此，特提出本技术。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质。

2、本发明的目的之二在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的应用。

4、本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种超高效率的激光微推进的固态工质，所述固态工质由金属盐和有机配体按照一定比例，在溶剂中于一定温度下进行反应，使金属阳离子与有机配体形成配位后制得；所述固态工质中，金属阳离子的质量百分数为28％～40％。

5、本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质的总体思路如下：

6、激光微推进是一种利用高能激光烧蚀工质产生高速反喷羽流，从而驱动空间飞行器高速飞行的新型推进技术，工质与激光作用过程中，工质将吸收激光的能量，一部分能量使自己融化、气化，另一部分能量用于蒸发并产生等离子体。单元素靶材通常更易形成等离子体，且单脉冲烧蚀深度更小，但获得的冲量较小，所以冲量耦合系数也较小，而聚合物则相反。因此，设计既有聚合物的高冲量耦合系数又具备单元素材料的高比冲的新型聚合物至关重要。

7、本发明提供的固态工质，由金属盐和有机配体按照一定比例形成配位后制得，可以从其金属节点配位层和配体的角度出发，通过改变材料中的金属离子种类和数量、配体的种类、以及相互之间的配位方式，设计出不同金属原子摩尔比例的金属有机框架材料。进一步的，通过精确设计的金属有机框架材料可以获得不同的激光微推进性能。

8、经大量研究发现，本发明提供的固态工质中，金属阳离子的质量分数对其工作性能具有重要的影响，在激光作用金属有机框架材料时，其金属阳离子会影响等离子的激发效果，从而影响该类材料产生的微推进效果。当金属阳离子的含量过低，产生的等离子较少；而如果含量过高，可能会造成等离子体的屏蔽。当控制金属阳离子的质量分数为28％～40％时，该固态工质兼具高冲量耦合系数和高比冲的性能优势，且获得的激光微推进性能远于聚合物、单元素靶材以及掺杂的聚合物。优选地，金属阳离子的质量分数为31％～33％，固态工质的激光烧蚀效率可达45％以上；更优选地，金属阳离子的质量分数为32％，固态工质的激光烧蚀效率可达50％以上。

9、进一步的，所述金属盐包括金属的硝酸盐、水合硝酸盐、氯化盐、水合氯化盐、乙酸盐中的一种或多种；所述金属选自铜、铁、锌、镁、铝中的一种。

10、优选地，所述金属盐选自水合硝酸铁、水合硝酸铜、水合硝酸锌、水合硝酸镁、水合硝酸铝、水合氯化铁、水合硝酸镍、硝酸铜、氯化铜、乙酸铜中的一种或多种的组合。

11、更优选地，所述金属盐选自硝酸铜、水合硝酸铜、氯化铜、乙酸铜中的一种或多种的组合。

12、进一步的，所述有机配体包括苯三甲酸、苯二甲酸、二羟基对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、联吡啶中的一种或多种的组合。

13、优选地，所述金属盐与所述有机配体的质量比为(0.1～1):(0.1～1)。

14、进一步的，所述溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合。

15、优选地，所述金属盐与溶剂的质量体积比为1:(10～50)g/ml。

16、进一步的，所述反应的温度为65～140℃，反应的时间为1～48h。

17、本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的固态工质的制备方法，其包括以下步骤：

18、s1、按比例称取金属盐、有机配体和溶剂，混合至固态颗粒完全溶解，得到混合物；

19、s2、将所述混合物加热反应一定时间，得到产物；

20、s3、对所述产物进行溶剂置换，而后真空干燥，冷却即得到固态工质。

21、优选地，步骤s1中，所述混合于超声条件下或磁力搅拌条件下进行。

22、进一步的，步骤s2中，所述加热反应包括水浴加热、激光热处理、微波热处理中的一种。

23、优选地，所述水浴加热的温度为65～120℃，水浴加热的时间为2～48h。更优选地，水浴加热的温度为65～85℃，水浴加热的时间为2～24h。

24、优选地，所述微波热处理包括：将金属盐、有机配体在溶剂条件下，置于微波环境中，采用3～8℃/min的升温速率，加热到110～140℃，加热时间为1～2h。

25、优选地，步骤s3中，溶剂置换包括：根据产物在不同溶剂中的溶解性，采用无水乙醇、水、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或多种进行多次置换，避免产物溶解于置换溶剂中。

26、本发明实现目的之三采用的技术方案是：提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的应用，所述固态工质为根据本发明目的之一所述的固态工质，或根据本发明目的之二所述的制备方法制得的固态工质。所述应用包括：将所述固态工质作为激光推进剂应用于激光微推进中，为空间飞行器的姿态调整、变轨提供能量。

27、本发明制得的固态工质呈粉末状态，在使用时，可以通过压片的方式制备成片状，也可以采用刮涂的方式制备成带状，无须其他复杂的处理方式，简单快捷。所述固态工质的冲量耦合系数为169.39～183.65μn/w，比冲为444.62～568.43s，激光烧蚀效率为35.97％～51.15％，具有优异的激光推进性能。

28、优选地，所述固态工质中，金属阳离子的质量分数为31％～33％，激光烧蚀效率达50％以上。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、(1)本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质，由金属盐和有机配体按照一定比例形成配位后制得，可以从其金属节点配位层和配体的角度出发，通过改变材料中的金属离子种类和数量、配体的种类、以及相互之间的配位方式，设计出不同金属原子摩尔比例的金属有机框架材料。进一步的，通过精确设计的金属有机框架材料可以获得不同的激光微推进性能。

31、(2)本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质的制备方法，工艺简单，通过设计而制备的金属有机框架材料，冲量耦合系数为169.39～183.65μn/w，比冲为444.62～568.43s，激光烧蚀效率为35.97％～51.15％。该固态工质获得的激光微推进性能远高于聚合物、单元素靶材以及掺杂的聚合物，提升了激光微推进技术的性能和工质使用寿命，具有广阔的推广及应用前景。