CN110530213A - 一种基于静电模板的微尺度异形装药方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微装药领域，具体涉及一种基于静电模板的微尺度异形装药方法。所述方法采用静电喷雾装置，原料采用目标药剂前驱液，目标药剂前驱液在电场的作用下往异形装药模板运动，且聚集在异形装药模板电学导通的区域。基于静电模板的异形装药方法利用含能粒子在溶液环境中具有良好的分散性和流动性以及带电粒子在电场中会向电场导通区域聚集的特点，纵向垂直将目标药剂沉积到异形微器件上。该方法能有效保证异形装药的装药一致性，且装置结构简单，应用范围广，在一定驱动力的作用下能够实现定向、有序装药。

Description

一种基于静电模板的微尺度异形装药方法
技术领域
本发明属于微装药领域，具体涉及一种基于静电模板的微尺度异形装药方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是指微型的器件或微型器件的集成，是融合微机电设计思想和微细加工技术，应用微电子技术的高科技前沿学科，具有微型化、集成化、易扩展和多学科交叉等特点。其中MEMS火工品具有高可靠、高安全、多功能性和信息识别的特点，能够满足MEMS引信和微型武器对火工品微型化的要求，具有十分广阔的应用前景。
微含能器件是将含能材料集成到微型器件中，利用含能材料的燃烧、产气、爆轰等方式释放能量，以满足不同的应用需求。微含能器件的显著特点在于换能元和装药尺寸在毫米或者亚毫米量级，因此对含能材料在下的装药工艺提出了更高的要求，要求微装药条件下，含能材料能够可靠释放能量，完成目标作功。
现阶段的微装药技术主要有：模具压装法、造粒法、液滴真空注装、喷墨打印法等，但在微环境下均有不同的条件限制。如模具压装法对目标装药结构的要求以及对目标装药结构机械强度的要求，难以实现异形装药且难以保证装药一致性；喷墨打印装药和药剂的液滴真空注装在装药完成后，溶剂挥发会在药柱内形成内部空穴，导致装药密度不可靠等。
静电喷雾法是利用电场对带电液滴的形变产生喷雾的过程。针筒内的前驱液推至喷口处，在高压电场作用下积累电荷，在电场力的作用下变形为圆锥状，形成射流，射流带正电荷，在电场力的驱动下向导电基底运动。运动过程中，由于同性相斥，射流颗粒间在排斥力的作用下分散成微小液滴。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于静电模板的微尺度异形装药方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于静电模板的微尺度异形装药方法，所述方法采用静电喷雾装置，原料采用目标药剂前驱液，目标药剂前驱液在电场的作用下往异形装药模板运动，且聚集在异形装药模板电学导通的区域，从而实现装药。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤(1)：配制含能材料溶液；
步骤(2)：制备目标药剂前驱液：将目标药剂加入步骤(1)中的含能材料溶液中、超声、搅拌得到目标药剂前驱液；
步骤(3)：搭建静电喷雾装置：将异形装药模板贴在静电喷雾装置的导电基底上；
步骤(4)：静电喷雾沉积目标药剂：开启高压电源，开始静电喷雾，完成异形装药。
进一步的，所述步骤(1)配制含能材料溶液具体为：将含能材料加入溶剂中，放置于磁力搅拌机上搅拌1-2h至含能材料完全溶解。
进一步的，所述的含能材料为硝化棉、聚偏氟乙烯中的一种，所述的溶剂为乙醇和乙醚或DMF和丙酮；所述乙醇和乙醚的体积比为3:1，所述DMF和丙酮的体积比为7:3。
进一步的，所述步骤(2)中的超声、搅拌具体为：在500W、40kHz下超声1-2h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌10-20h。
进一步的，所述异形装药模板的目标装药区域与导电基底之间电学导通；非装药区域利用掩膜实现电学隔离。
进一步的，采用的静电喷雾装置包括：微注射泵，注射器，异形装药模板和导电基底；
用注射器吸取静电喷雾前驱液，放置于微注射泵上，导电基底接地，将所述异形装药模板贴合于处于接地状态的导电基底上，利用直流高压电源给注射器针头处施加高压，开启微注射泵，注射器内的前驱液被推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，带电粒子会向电场导通部分偏移，并且溶剂在运动过程中不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到贴合于导电基底的异形装药模板的电场导通区域。
进一步的，所述注射器针头距离导电基底的距离为8-9cm。
进一步的，所述注射器的推进速度为3.5-4ml/h。
进一步的，施加在注射器针头处的压力为18-18.5kV
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的一种基于静电模板的异形装药方法，基于静电喷雾技术，利用含能粒子在溶液环境中具有良好的分散性和流动性，以及带电粒子在电场中会向电场导通区域聚集的特点，能够与实现在一定电场驱动力的作用下，定向、有序的装药，且该装药方法不受目标装药结构的限制，能够实现纳米铝热剂与MEMS兼容的微装药工艺。
(2)本方法装置易于搭建，操作简单，容易实现。
(3)本方法装填效率高，能实现单次多结构装药。
附图说明
图1是本发明基于静电模板的微点火器药室装药原理示意图。
图2是本发明基于静电模板的微点火器药室结构示意图。
图3是本发明基于静电模板的某异形药盘结构示意图。
图4是本发明基于静电模板的微点火器药室装药实物图。
附图标记说明：
1—微注射泵，2—注射器，3—静电喷雾前驱液，4—直流高压电源，5—静电喷射产物，6—异形装药模板，7—导电基底，8—电场导通区域，9—电场绝缘区域。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例对本发明作进一步的阐述和说明
结合图1-4，一种基于静电模板的异形装药方法，采用静电喷雾装置，静电喷雾装置包括微注射泵1、注射器2、静电喷雾前驱液3、高压电源4，静电喷雾产物5、异形装药模板6、导电基底7，其中异形装药模板分为电场导通部分8和电场绝缘部分9。
用注射器2吸取静电喷雾前驱液3，放置于微注射泵1上，导电基底7接地，将所述异形装药模板6贴合于处于接地状态的导电基底7上，为使溶剂能挥发完全，注射器针头到基底间的距离设置为8～9cm。同时利用带电粒子在电场中会向电场导通区域聚集的特点，将异形装药模板设计为包含电场导通区域8和电场绝缘区域9的结构。利用直流高压电源4给注射器针头处施加18～18.5kV的高压，开启微注射泵，注射器内的前驱液被推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，带电粒子会向电场导通部分偏移，并且溶剂在运动过程中不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到贴合于导电基底的异形装药模板的电场导通区域。
步骤A，配制含能材料溶液：将含能材料加入一定体积比的溶剂中，放置于磁力搅拌机上搅拌1h至含能材料完全溶解，得到含能材料溶液
所述的含能材料是硝化棉、聚偏氟乙烯中的一种，所述的溶剂，一方面需要满足能够溶解硝化棉或者聚偏氟乙烯，同时需要具有良好的挥发性。本专利所选用的溶剂和体积比分别为乙醇：乙醚(3:1)或DMF：丙酮(7：3)；
步骤B，制备目标药剂前驱液：将目标药剂加入步骤A所得含能材料溶液中，在500W、40kHz下超声1h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌12h，得到目标药剂前驱液；
步骤C，搭建静电喷雾装置：将步骤B中制备得到的目标药剂前驱液放置于静电喷雾的注射器中，将异形装药模板贴在导电基底上。
步骤D，静电喷雾沉积目标药剂：开启高压电源，在微注射泵的推动下前驱液从注射器中被推出，开始静电喷雾过程，最终静电喷雾产物沉积到位于导电基底的异形装药模板上。
所述的硝化棉的含氮量大于12％，聚偏氟乙烯纯度为99.9％。
所述前驱液是由含能材料和有机溶剂组成。所述异形模板的目标装药区域需要与导电基底之间实现电学导通。同时为实现装药模板的电场导通和电场绝缘，对于非目标装药区域，药室内部可采用绝缘材料设计，药室表面部分采用贴合绝缘掩膜实现电场绝缘。
所述异形模板的非装药区域需要利用掩膜实现电学隔离。目标药剂前驱液在微推进器中的推进速度为3.5-4ml/h。施加在针头部分压力为18-18.5kV。针头到铝箔基底之间的距离为8-9cm。
实施例1
结合图1、2、4，一种静电喷雾装置包括用于静电喷雾的前驱液流速控制的微注射泵1、注射器2、静电喷雾前驱液3、高压电源4，静电喷雾产物5、异形装药模板6、导电基底7，其中异形装药模板分为电场导通部分8和电场绝缘部分9
基于静电模板的微尺度异形装药方法，具体可由以下步骤完成：
称取15mg硝化棉加入4ml乙醇：乙醚＝3：1(体积比)溶剂中，放置于磁力搅拌机上以600rpm速度搅拌1h至硝化棉完全溶解，得到硝化棉溶液。
称取107.45mg纳米Al粉和477.55g纳米氧化铜粉，加入配置好的硝化棉溶液中，在500W、40kHz下超声1h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌12h，得到纳米铝热剂分散液。
用体积5ml的注射器吸取2ml纳米铝热剂分散液，放置于微注射泵上，将导电基底接地，将所述异形装药模板贴合于处于接地状态的导电基底上，为使溶剂能挥发完全，注射器针头到基底间的距离设置为8～9cm。利用直流高压电源给注射器针头处施加18～18.5kV的高压，开启微注射泵，注射器内的前驱液被推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，带电粒子会向电场导通部分偏移，并且溶剂在运动过程中不断挥发，溶剂挥发完全后，沉积到贴合于导电基底的异形装药模板的电场导通区域。
实施例2
结合图1、3，一种静电喷雾装置，包括用于静电喷雾的前驱液流速控制的微注射泵1、注射器2、静电喷雾前驱液3、高压电源4，静电喷雾产物5、异形装药模板6、导电基底7，其中异形装药模板分为电场导通部分8和电场绝缘部分9
基于静电模板的微尺度异形装药方法，具体可由以下步骤完成：
称取15mg硝化棉加入4ml乙醇：乙醚＝3：1(体积比)溶剂中，放置于磁力搅拌机上以600rpm速度搅拌1h至硝化棉完全溶解，得到硝化棉溶液。
称取107.45mg纳米Al粉和477.55g纳米氧化铜粉，加入配置好的硝化棉溶液中，在500W、40kHz下超声1h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌12h，得到纳米铝热剂分散液。
用体积5ml的注射器吸取2ml纳米铝热剂分散液，放置于微注射泵上，将导电基底接地，非目标装药区域表面设计覆盖绝缘掩膜以实现电场绝缘，将所述异形装药模板贴合于处于接地状态的导电基底上，为使溶剂能挥发完全，注射器针头到基底间的距离设置为8～9cm。利用直流高压电源给注射器针头处施加18～18.5kV的高压，开启微注射泵，注射器内的前驱液被推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，带电粒子会向电场导通部分偏移，并且溶剂在运动过程中不断挥发，溶剂挥发完全后，沉积到贴合于导电基底的异形装药模板的电场导通区域。
综上所述，本发明申请，基于静电喷雾技术，利用含能粒子在溶液环境中具有良好的分散性和流动性，以及带电粒子在电场中会向电场导通区域聚集的特点，实现了在一定电场驱动力的作用下，定向、有序装药，且该装药方法不受目标装药结构的限制，能够实现纳米铝热剂与MEMS兼容的微装药工艺。

Claims (10)

1.一种基于静电模板的微尺度异形装药方法，其特征在于，所述方法采用静电喷雾装置，原料采用目标药剂前驱液，目标药剂前驱液在电场的作用下往异形装药模板运动，且聚集在异形装药模板电学导通的区域，从而实现装药。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：配制含能材料溶液；
步骤(2)：制备目标药剂前驱液：将目标药剂加入步骤(1)中的含能材料溶液中、超声、搅拌得到目标药剂前驱液；
步骤(3)：搭建静电喷雾装置：将异形装药模板贴在静电喷雾装置的导电基底上；
步骤(4)：静电喷雾沉积目标药剂：开启高压电源，开始静电喷雾，完成异形装药。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)配制含能材料溶液具体为：将含能材料加入溶剂中，放置于磁力搅拌机上搅拌1-2h至含能材料完全溶解。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的含能材料为硝化棉、聚偏氟乙烯中的一种，所述的溶剂为乙醇和乙醚或DMF和丙酮；所述乙醇和乙醚的体积比为3:1，所述DMF和丙酮的体积比为7:3。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的超声、搅拌具体为：在500W、40kHz下超声1-2h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌10-20h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异形装药模板的目标装药区域与导电基底之间电学导通；非装药区域利用掩膜实现电学隔离。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用的静电喷雾装置包括：微注射泵(1)，注射器(2)，异形装药模板(6)和导电基底(7)；
用注射器(2)吸取静电喷雾前驱液(3)，放置于微注射泵(1)上，导电基底(7)接地，将所述异形装药模板(6)贴合于处于接地状态的导电基底(7)上，利用直流高压电源(4)给注射器(2)针头处施加高压，开启微注射泵(1)，注射器(2)内的前驱液被推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底(7)运动，运动过程中，带电粒子会向电场导通部分偏移，并且溶剂在运动过程中不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到贴合于导电基底(7)的异形装药模板(6)的电场导通区域。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述注射器(2)针头距离导电基底(7)的距离为8-9cm。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述注射器(2)的推进速度为3.5-4ml/h。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，施加在注射器针头处的压力为18-18.5kV。
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