CN112707774A - 一种降低激光点火能量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低含能材料激光点火能量的方法，将具有二维片层纳米结构的光热转换材料制备成自支撑薄膜并直接贴合到含能药柱，所述光热转换材料包括氧化石墨烯、氧化石墨烯3‑氨基苯酚甲醛复合物、氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物和MXene聚四氟乙烯复合物。该方法可以增强激光点火器件的光热转换效率，从而降低激光光热点火的引发能量。

Description

一种降低激光点火能量的方法
技术领域
本发明涉及激光光热点火领域，具体涉及一种降低激光点火能量的方法。
背景技术
激光光热点火是指利用激光照射光热转换材料，瞬间产生高能热量以点燃或引爆含能材料的过程，其在军事航空航天和民用点火爆破等领域有重要应用价值。激光光热点火能量是激光光热点火的关键指标之一。降低激光光热点火能量可有效缓解能源输出装置和光纤组件性能及品质的高需求，减小制造成本实现武器系统轻量化，增加武器系统的机动性，促进其升级换代。然而，部分含能材料的吸光性能较为一般，导致需要的激光点火能量偏高，目前主要通过向含能材料中添加少量吸光性能较好的光热转换材料如石墨或碳黑，以增加吸光度并降低激光点火能量。目前关于激光光热点火能量的调控主要还是通过改性含能药柱本身得以实现，由于含能材料本身是亚稳态物质，其改性过程可能导致反应活性、稳定性、敏感性和安全性的改变，为其安全控制和稳定化措施带来新的困难。采用贴合二维碳基自支撑含能薄膜与含能药柱贴合的方式，通过调控碳基自支撑含能薄膜的物性结构来实现激光光热点火能量的调控具有以下优点：包括工艺简单、高效、安全，点火可靠性和重复性更有保障，叠层贴合不会导致含能材料本身性质的变化。
发明内容
本发明的目的在于提高一种降低激光点火能量的方法，该方法可以增强激光点火器件的光热转换效率，从而降低激光光热点火的引发能量。
为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：
一种降低含能材料激光点火能量的方法，将具有二维片层纳米结构的光热转换材料制备成自支撑薄膜并直接贴合到含能药柱，所述光热转换材料包括氧化石墨烯、氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物、氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物和MXene聚四氟乙烯复合物。
进一步的技术方案为，氧化石墨烯自支撑薄膜的制备方法具体为：将氧化石墨溶解在去离子水中然后超声处理，形成氧化石墨烯水分散体，然后进行真空过滤，氧化石墨烯薄膜自动形成在滤纸上方，将滤纸溶解在丙酮中然后真空干燥即得到氧化石墨烯自支撑薄膜。
进一步的技术方案为，所述超声处理的时间为10～20分钟，真空干燥的温度为60℃，所述氧化石墨烯水分散体的浓度为5mg/ml。
进一步的技术方案为，所述滤纸的孔径为0.45～0.80μm。
优选的，所述滤纸的孔径为0.45μm。
进一步的技术方案为，氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将氧化石墨烯分散在水和乙醇的混合液中，形成氧化石墨烯水分散体，然后加入3-氨基苯酚、氨水溶液和甲醛溶液，搅拌后形成氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物，然后真空过滤得到氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物自支撑含能薄膜。
进一步的技术方案为，所述氧化石墨烯水分散体的浓度为5mg/ml，所述水和乙醇的体积比为2:1。
进一步的技术方案为，氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将质量比为7:3的氧化石墨烯和聚四氟乙烯复合物混合在水溶液中然后进行超声波处理和真空过滤，得到氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜。
其中，超声处理的转速为500r/min，时间为15min。
进一步的技术方案为，MXene聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将MXene和聚四氟乙烯复合物混合在水溶液中然后进行超声波处理和真空过滤，得到MXene聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜。
其中，MXene和聚四氟乙烯的质量比可以为9:1、8:2、7:3、5:5；超声处理的转速为500r/min，时间为15min。
进一步的技术方案为，所述氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为20～70％。
优选的，所述氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为67％
进一步的技术方案为，所述MXene聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为10～90％。
优选的，所述MXene聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为30％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明直接将一层薄的光热薄膜附着到含能材料的圆筒上，因为光学点火只能发生在含能材料药柱的表面上，易于操作且危险性降低，同时叠层贴合不会影响含能材料本身的性质。于含能薄膜在吸收激光能量后升温，可以促发分解反应，从而放出大量热量并导致二次升温。因此，本发明通过复合氧化剂组分和还原剂组分，并对其比例进行了调节和优化，以实现提升二次升温效果的目的。通过本项目的研究，还能拓展二维纳米材料及其复合物在含能材料领域中应用，为自支撑含能薄膜的设计和光热点火应用提供理论支撑，具有重要的研究价值和应用前景。
附图说明
图1为采用自支撑含能薄膜降低激光点火能量的过程示意图；
图2为氧化石墨烯薄膜与纯石墨烯薄膜的温度时间曲线；
图3为氧化石墨烯薄膜与纯石墨烯薄膜的差示扫描量热对比图；；
图4为激光脉冲作用下GO、GO@3AF、3AF的温升效应对比图；
图5为不同比例的GO/PTFE在脉冲激光照射下的温升情况对比；
图6为不同比例的MXene/PTFE自支撑含能薄膜在脉冲激光照射下的温升情况对比；
图7为GOM与非GOM激光起爆器起爆功率的比较；
图8为纯B/KNO3柱体、附GO-P67膜B/KNO3柱体的激光起始能量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明。
实施例1
将100mg氧化石墨溶解在20ml去离子水中，然后在超声水浴中温和超声处理10分钟。然后形成浓度为5mg/ml的干净的氧化石墨烯水分散体，并准备真空过滤。在真空过滤期间，GO薄膜(GOM)自动形成在滤纸的上侧。滤纸的孔径为0.45μm。通过将滤纸溶解在丙酮中，然后在真空烘箱中在60℃下干燥，可以得到自支撑GO薄膜。采用常用的激光光热点火含能材料硼/硝酸钾混合物制备含能材料药柱，先将硼/硝酸钾混合物粉末压制成一定尺寸和高度的含能材料药柱，然后将石墨烯基自支撑含能薄膜与含能材料药柱进行紧密贴合，共同组装到激光光热爆管之中，确保石墨烯基自支撑含能薄膜处于光纤出口与含能药柱之间。通过对比添加石墨烯基自支撑含能薄膜前后激光爆管的点火能量，研究石墨烯基自支撑含能薄膜对调控激光光热点火能量的作用。测试结果如图7所示，附加了GOM的B/KNO3柱的激光起爆器与纯B/KNO3柱的激光起爆器相比，平均起爆功率从0.85w降低到了0.50w，平均起爆功率降低了40％。
图2为不同激光功率照射下，氧化石墨烯薄膜与纯石墨烯薄膜的温度-时间曲线变化曲线，氧化石墨烯由于可以二次分解放热，其在相同功率激光照射的情况下，温度比石墨烯薄膜上升得更高；图3为氧化石墨烯薄膜与纯石墨烯薄膜的差示扫描量热对比，验证了氧化石墨烯在激光照射过程中可以二次放热。
实施例2
120mg氧化石墨烯在室温下分散在40ml的水和20ml的乙醇中。然后，在上述溶液中加入86mg 3-氨基苯酚、200μl氨水溶液和86μl甲醛溶液。搅拌20小时后，形成GO/3AF并通过真空过滤工艺获得膜。在过滤过程中，使用10毫升上述水分散体，独立膜将在孔径0.45μm的滤纸上侧自动成型。将GO/3AF自支撑含能薄膜直接贴合到含能药柱表面。图4为激光脉冲作用下GO、GO@3AF、3AF的温升效应对比，可以看出添加了GO@3AF薄膜的含能药柱的光热转换性能有明显的提升。
实施例3
通过将GO和PTFE混合在水溶液中，然后进行超声波处理和过滤，制备GO和PTFE复合的独立膜。将GO/PTFE复合薄膜与含能材料药柱进行紧密贴合，通过对比添加PTFE前后自支撑含能薄膜情况下激光爆管的点火能量，研究PTFE的加入对自支撑含能薄膜对调控激光光热点火能量的作用。如图8所示，GO/PTFE复合薄膜的添加有效降低了激光点火的阈值功率。
通过监测脉冲激光辐照过程中系列GO/PTFE自支撑含能薄膜的温升情况，研究了GO和PTFE的比例对激光照射下产生的温升效应的影响。如图5所示，纯PTFE均表现出非常低的光热温升效应，这是因为纯PTFE的吸光度很低；纯GO光热升温效应较低，是因为纯GO的二次放热效应与GO/PTFE复合物相比较低，但向GO膜中引入PTFE以后，GO-P67的温升可以提升到236℃，说明GO-P67复合膜的激光照射温升性能与纯GO膜相比有很大提高。这是因为PTFE是一种含氟氧化剂，相同质量下在热分解过程中可以提供比GO高得多的热量释放。图8为纯B/KNO3柱体、附GO-P67膜B/KNO3柱体的激光起始能量，说明GO-P67膜能够有效降低激光点火的阈值功率。
实施例4
通过MXene和PTFE混合在水溶液中，然后进行超声波处理和过滤，制备MXene和PTFE复合的独立膜。将MXene/PTFE复合薄膜与含能材料药柱进行紧密贴合，通过对比添加PTFE前后自支撑含能薄膜情况下激光爆管的点火能量，研究PTFE的加入对自支撑含能薄膜对调控激光光热点火能量的作用。
通过监测脉冲激光辐照过程中系列MXene/PTFE自支撑含能薄膜的温升情况，研究了MXene和PTFE的比例对激光照射下产生的温升效应的影响。如图6所示，纯MXene光热升温效应较低，是因为纯MXene几乎没有二次放热效应；但向MXene膜中引入PTFE以后，M/P-70自支撑含能薄膜的温升可以提升到188℃，说明M/P-70复合膜的激光照射温升性能与纯MXene膜相比有很大提高。这是因为PTFE中氟组分的加入可以和MXene的还原组分发生氧化还原反应，产生二次放热，从而释放出比纯MXene自支撑薄膜更多的热量。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，将具有二维片层纳米结构的光热转换材料制备成自支撑薄膜并直接贴合到含能药柱，所述光热转换材料包括氧化石墨烯、氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物、氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物和MXene聚四氟乙烯复合物。
2.根据权利要求1所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，氧化石墨烯自支撑薄膜的制备方法具体为：将氧化石墨溶解在去离子水中然后超声处理，形成氧化石墨烯水分散体，然后进行真空过滤，氧化石墨烯薄膜自动形成在滤纸上方，将滤纸溶解在丙酮中然后真空干燥即得到氧化石墨烯自支撑薄膜。
3.根据权利要求2所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，所述超声处理的时间为10～20分钟，真空干燥的温度为60℃，所述氧化石墨烯水分散体的浓度为5mg/ml。
4.根据权利要求2所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，所述滤纸的孔径为0.45～0.80μm。
5.根据权利要求1所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将氧化石墨烯分散在水和乙醇的混合液中，形成氧化石墨烯水分散体，然后加入3-氨基苯酚、氨水溶液和甲醛溶液，搅拌后形成氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物，然后真空过滤得到氧化石墨烯3-氨基苯酚甲醛复合物自支撑含能薄膜。
6.根据权利要求5所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，所述水和乙醇的体积比为2:1，所述氧化石墨烯水分散体的浓度为5mg/ml。
7.根据权利要求1所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将质量比为7:3的氧化石墨烯和聚四氟乙烯混合在水溶液中然后进行超声波处理和真空过滤，得到氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜。
8.根据权利要求1所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，MXene聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜的制备方法具体为：将MXene和聚四氟乙烯复合物混合在水溶液中然后进行超声波处理和真空过滤，得到MXene聚四氟乙烯复合物自支撑薄膜。
9.根据权利要求7所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为20～70％。
10.根据权利要求8所述的降低含能材料激光点火能量的方法，其特征在于，所述MXene聚四氟乙烯复合物中聚四氟乙烯的质量百分比为10～90％。
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