CN111521070A - 一种碳基低压点火开关制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳基低压点火开关制备的方法，首先是基底毛化处理，使用绿光或紫外激光装置，在陶瓷基底上进行激光毛化处理，得到粗糙度为一定值；然后进行碳基材料复合材料的制作和配比，用丝网印刷或者喷涂的方式将碳基复合材料涂敷到陶瓷基底上，进行梯度温度处理；最后温度处理后用激光技术切割成不同的形状，涂上导电银浆后加上电极通电，测试不同配料、不同形状的点火开关的发热性能。经实验表明，通过本发明方法制得的碳基低压点火开关具有可靠的点火能力，相比于桥丝火工品和半导体桥火工品，其具有制备方法简便、成本低廉等优点。

Description

一种碳基低压点火开关制备方法

技术领域

本发明属于火工品换能源技术领域，具体涉及一种碳基低压点火开关制备的方法。

背景技术

电火工品作为武器系统的首发装置，能够在较低的外部能量刺激下被激发，达到预定的功能。

传统的火工品为桥丝火工品和半导体桥火工品，分别以镍-铬和多晶硅作为电热转换介质，在一定电流下进行电能和热能的转换，普遍认为半导体桥原理为微对流机制。因此开发出镍铬和多晶硅以外的材料，作为电火工品的换能介质，并且能克服桥丝火工品安全性差、半导体火工品工艺复杂、制作成本高的局限性，对于火工品发展将具有重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明提供一种碳基低压点火开关制备的方法，解决传统桥丝火工品和半导体火工品安全性差、制备工艺复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种碳基低压点火开关制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1、准备材料：

首先将碳基材料粉末按比例混合后采用球磨机在15Hz条件下内进行球磨，形成长度约为50-100μm的粉末，将该粉末置于10% NaOH 溶液中超声清洗4h以除去杂质，再经过过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声清洗30min，过滤烘干后备用；

步骤2、陶瓷基底的激光毛化处理：

使用激光器进行刻蚀，以激光点阵的形式在陶瓷基底表面进行扫描，激光与陶瓷基底相互作用过程中，形成密集规则的微孔，从而实现陶瓷基底的激光毛化处理；激光毛化处理后，采用超声波清洗15min，用氮气吹干备用；

步骤3、发热涂层的材料配比制作：

将步骤1准备的碳基混合材料和粘结剂、Zn粉均匀混合形成胶状，然后涂敷在毛化处理过后的陶瓷基底上，经过自然晾晒、风干和梯度烘烤；

步骤4、形成不同的桥区形状样品的火工品

利用激光对涂敷后的样品进行不同形状的切割，切割完成后利用导电银浆引出导线，进行不同电压、不同配比、不同形状的火工品性能测试，最终选择出在低压下能够通电后使桥区熔断的材料配比、桥区形状的样品。

进一步的，所述碳基材料粉末包括石墨烯、导电石墨、碳纳米管的一种或几种的混合。

进一步的，所述步骤2、激光毛化处理激光功率在5-10w，激光能量密度10J/cm²以上。

进一步的，所述步骤3、发热涂层的材料配比制作中涂敷方法为丝网印刷或者喷涂。

进一步的，所述步骤3、发热涂层的材料配比制中利用梯度烘烤8h。

进一步的，所述步骤4、形成不同的桥区形状样品的火工品中利用紫外激光进行切割，紫外激光功率为5-10w，扫描频率20-30KHz/s，扫描速度1000-1500m/s；开关光延时10ms。

进一步的，所述步骤2、陶瓷基底的激光毛化处理中的激光器为紫外线激光器或绿光激光器。

本发明的有益效果：

1.本发明方法激光毛化处理后基底表面的粗糙度均匀性好、粗糙度稳定性高，可重复性好，粗糙度稳定，通常在±3%以内，且表面粗糙度Ra在1-10μm范围内可调经过毛化处理后，有利于碳基薄膜材料在成型过程中的涂镀效果。

2. 本发明方法采用的石墨烯复合材料涂层，由于石墨烯高度完整的石墨片层结构和相互间的紧密堆砌结构使得涂层的导电性和热稳定性得到增强。

3.本发明将碳纤维处理成粉末状，和引爆药进行混合，通过改变碳纤维在引爆药的组分配比，研究碳基含能复合材料点火开关的发火特性，经实验表明，该火工品具有可靠的点火能力，相比于桥丝火工品和半导体桥火工品，其具有制备方法简便、成本低廉的优点。

附图说明

图1是激光毛化处理后的示意图；

图2是石墨烯基火工品成品的示意图；

图中，1-处理前基底，2-激光毛化处理的小孔，3-处理后的基底，4-石墨烯碳基涂层，5-电极，6-电极引出线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附和实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

通过研究发现，石墨烯薄膜和碳纤维毡在相同质量和面密度的前提下，石墨烯薄膜的导电性更好，归功于石墨烯的完整的石墨片层结构、相互间的紧密堆砌结构。在施加电场的作用下，石墨烯薄膜的表面温度在直流电压为4V时，碳纤维面密度为15、30g/m2分别达到的稳定温度为39℃、60.5℃，石墨烯面密度为15、30g/m2分别达到的稳定温度为96℃、118℃；通过红外热像图分析出石墨烯薄膜的温度分布均匀。石墨烯薄膜和碳纤维毡的电阻都随温度的升高在减小，通过石墨烯薄膜与碳纤维毡在空气中的热稳定性发现，石墨烯薄膜在580℃才开始出现明显的热失重现象，而碳纤维毡在280.2℃开始时出现明显的失重，这也主要因为石墨烯高度完整的石墨片层结构。

本发明提供一种碳基低压点火开关制备的方法，首先是基底毛化处理，使用绿光或紫外激光装置，在陶瓷基底上进行激光毛化处理，得到粗糙度为一定值；然后进行碳基材料复合材料的制作和配比，用丝网印刷或者喷涂的方式将碳基复合材料涂敷到陶瓷基底上，进行梯度温度处理；最后温度处理后用激光技术切割成不同的形状，涂上导电银浆后加上电极通电，测试不同配料、不同形状的点火开关的发热性能。

实施例1：

一种碳基低压点火开关制备的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、准备材料：

首先将石墨烯、导电石墨、碳纳米管的碳基复合材料分别在在球磨机内进行球磨，形成长度50μm的粉末，将该粉末置于10% NaOH 溶液中超声清洗4h以除去杂质，再经过过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声清洗30min，过滤烘干后备用；

步骤二：陶瓷基底的激光毛化处理：

刻蚀方法为激光毛化处理，使用235nm波长的紫外激光装置，以激光点阵的形式在陶瓷基底表面进行扫描，激光与陶瓷基底相互作用过程中，形成密集规则的微孔，从而实现陶瓷基底的激光毛化处理，参见图1，陶瓷基底表面的粗糙度均匀性好、粗糙度稳定性高，可重复性好，粗糙度稳定，通常在±3%以内，且表面粗糙度Ra在1-10μm范围内可调经过毛化处理后，有利于碳基薄膜材料在成型过程中的涂镀效果；

步骤三：碳基复合材料的配比制作：

将石墨烯、碳纳米管、导电石墨和粘结剂以及Zn粉混合得到均质稳定的石墨烯复合材料的胶装悬浮液，将厚度约为100μm的碳基复合材料涂层涂敷在陶瓷基底上，经过自然晾晒、风干并进行梯度烘烤8h；

步骤四：测试样品发火性能

将涂敷完发热涂层的陶瓷基底，利用紫外激光对涂敷过后的样品进行如图2的切割，完成后利用导电银浆引出导线，进行碳基点火开关的发热特性测试。

实施例2：

步骤一、准备材料：

首先将碳基复合材料石墨烯、导电石墨、碳纳米管分别在球磨机内进行球磨，形成长度75μm的粉末，将该粉末置于10% NaOH 溶液中超声清洗4h以除去杂质，在经过过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声清洗30min，过滤烘干后备用；

步骤二、陶瓷基底的激光毛化处理：

刻蚀方法为激光毛化处理，使用绿光激光器，以激光点阵的形式在陶瓷基底表面进行扫描，激光与陶瓷基底相互作用过程中，形成密集规则的微孔，从而实现陶瓷基底的激光毛化处理，使用激光毛化技术对陶瓷基底表面进行毛化加工，陶瓷基底表面的粗糙度均匀性好、粗糙度稳定性高，可重复性好，粗糙度稳定，通常在±3%以内，且表面粗糙度Ra在1-10μm范围内可调，经过毛化处理后，有利于碳基薄膜材料在成型过程中的涂镀效果；

步骤三：碳基复合材料的配比制作：

将石墨烯、碳纳米管、导电石墨和粘结剂以及Zn粉混合得到均质稳定的石墨烯复合材料的胶装悬浮液，将厚度约为150μm的碳基复合材料涂层涂敷在陶瓷基底上，经过自然晾晒、风干并进行梯度烘烤8h，自然冷却；

步骤四：

将涂敷完发热涂层的陶瓷基底，利用激光对涂敷过后的样品进行切割，完成后利用导电银浆引出导线，进行碳基点火开关的发热特性测试。

实施例3：

步骤一、准备材料：

首先将碳基复合材料石墨烯、导电石墨、碳纳米管分别在球磨机内进行球磨，形成长度100μm的粉末，将该粉末置于10% NaOH 溶液中超声清洗4h以除去杂质，在经过过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声清洗30min，过滤烘干后备用；

步骤二、陶瓷基底的激光毛化处理：

刻蚀方法为激光毛化处理，使用235nm波长的激光器，以激光点阵的形式在陶瓷基底表面进行扫描，激光与陶瓷基底相互作用过程中，形成密集规则的微孔，从而实现陶瓷基底的激光毛化处理，使用激光毛化技术对陶瓷基底表面进行毛化加工，陶瓷基底表面的粗糙度均匀性好、粗糙度稳定性高，可重复性好，粗糙度稳定，通常在±3%以内，且表面粗糙度Ra在1-10μm范围内可调，经过毛化处理后，有利于碳基薄膜材料在成型过程中的涂镀效果；

步骤三：碳基复合材料的配比制作：

将石墨烯、碳纳米管、导电石墨和粘结剂以及Zn粉混合得到均质稳定的石墨烯复合材料的胶装悬浮液，将厚度约为100μm的碳基复合材料涂层涂敷在陶瓷基底上，经过自然晾晒、风干并进行梯度烘烤6h，自然冷却；

步骤四：

将涂敷完发热涂层的陶瓷基底，利用激光对涂敷过后的样品进行的切割，完成后利用导电银浆引出导线，进行碳基点火开关的发热特性测试。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (7)

1.一种碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，

具体包括如下步骤：

步骤1、准备材料：

首先将碳基材料粉末按比例混合后采用球磨机在15Hz条件下内进行球磨，形成长度约为50-100μm的粉末，将该粉末置于10% NaOH 溶液中超声清洗4h以除去杂质，再经过过滤、洗涤、干燥后转移到丙酮中超声清洗30min，过滤烘干后备用；

步骤2、陶瓷基底的激光毛化处理：

使用激光器进行刻蚀，以激光点阵的形式在陶瓷基底表面进行扫描，激光与陶瓷基底相互作用过程中，形成密集规则的微孔，从而实现陶瓷基底的激光毛化处理；激光毛化处理后，采用超声波清洗15min，用氮气吹干备用；

步骤3、发热涂层的材料配比制作：

将步骤1准备的碳基混合材料和粘结剂、Zn粉均匀混合形成胶状，然后涂敷在毛化处理过后的陶瓷基底上，经过自然晾晒、风干和梯度烘烤；

步骤4、形成不同的桥区形状样品的火工品

利用激光对涂敷后的样品进行不同形状的切割，切割完成后利用导电银浆引出导线，进行不同电压、不同配比、不同形状的火工品性能测试，最终选择出在低压下能够通电后使桥区熔断的材料配比、桥区形状的样品。

2.根据权利要求1所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述碳基材料粉末包括石墨烯、导电石墨、碳纳米管的一种或几种的混合。

3.根据权利要求1或2所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述步骤2、激光毛化处理激光功率在5-10w，激光能量密度10J/cm²以上。

4.根据权利要求3所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述步骤3、发热涂层的材料配比制作中涂敷方法为丝网印刷或者喷涂。

5.根据权利要求4所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述步骤3、发热涂层的材料配比制中利用梯度烘烤8h。

6.根据权利要求所述的5所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述步骤4、形成不同的桥区形状样品的火工品中利用紫外激光进行切割，紫外激光功率为5-10w，扫描频率20-30KHz/s，扫描速度1000-1500m/s；开关光延时10ms。

7.根据权利要求所述的6所述的碳基低压点火开关制备方法，其特征在于，所述步骤2、陶瓷基底的激光毛化处理中的激光器为紫外线激光器或绿光激光器。

Images