CN113446131A - 一种空间聚焦微波的用途及微纳米金属/聚合物点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于含能材料点火领域，具体涉及一种空间聚焦微波的用途及微纳米金属/聚合物点火装置。包括固态微波源，微波传输系统和水冷机，微波传输系统包括环行隔离器，三销钉调配器，同轴转换器，波同，同轴传输线，微波针头；固态微波源和环行隔离器均通循环水冷却，微波源的输出端接环行隔离器的输入端，环行隔离器的输出端接三销钉调配器的输入端，三销钉调配器的输出端接同轴转换器的输入端，同轴转换器的输出端和同轴传输线一端连接，同轴传输线另一端和微波针头连接，微波针头垂直置于微纳米金属/聚合物的表面。本发明的将微波能量有效耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。

Description

一种空间聚焦微波的用途及微纳米金属/聚合物点火装置
技术领域
本发明属于含能材料点火领域，具体涉及一种空间聚焦微波的用途及微纳米金属/聚合物点火装置。
背景技术
微波指的是波长在1mm～1m(频率300MHz～300GHz)范围内的电磁波。目前，微波加热在粉末陶瓷烧结，材料合成，结晶性高爆炸单元推进剂材料的起爆等方面取得了一些成功，例如1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪烷(RDX)，而很少用来激发金属和金属复合材料。
微纳米金属/聚合物通常的点火方式有：热点火，电点火和激光点火，而在复杂的太空环境中存在着很强的电磁干扰，对现有的点火方式提出了更高的要求。用微波来触发含能材料则的需求显得越来越重要，然而微纳米金属/聚合物的微波点火国内外未见研究报道。
金属相对较高的导电性导致在传统微波炉频率(2.45GHz)下，微波进入的表面深度只有几微米。这意味着大部分的电磁(EM)辐射被材料表面反射，使得很难将微波的能量耦合到金属上。对金属粉末的建模和实验研究表明，解决这个问题的一个办法是使用与电磁场耦合强烈的金属粉末，并且其颗粒直径与该材料的趋肤深度具有相同的数量级。过大的粒子只会在表面加热，而比趋肤深度小得多的粒子只会吸收一小部分电磁能量。虽然磁性金属粉末通过微波加热到高温烧结已经实现，但这些磁性材料的含能性能较差，能量输出较低，且往往需要较长时间(10～30分钟)才能烧结，较短时间内实现点火几乎不可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间聚焦微波的用途及微纳米金属/聚合物点火装置，利用空间聚焦微波将电磁能量快速耦合到微纳米金属/聚合物上，实现点火。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种空间聚焦微波的用途，用于微纳米金属/聚合物点火。
进一步的，所述微纳米金属/聚合物的形貌为颗粒、丝状或薄膜状；微纳米金属/聚合物中的微纳米金属为颗粒状，大小为微纳米级别，聚合物为高分子材料。
一种利用空间聚焦微波的微纳米金属/聚合物点火装置，包括固态微波源，同轴传输线和微波针头；
同轴传输线将固态微波源发出的微波以同轴的方式传输给微波针头，微波针头的材质为微波传输的良导体，微波针头的针尖与微纳米金属/聚合物形成的药剂表面接触，从而将微波能量耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。
进一步的，还包括环行隔离器，三销钉调配器，同轴转换器和波同；
固态微波源的输出端接环行隔离器的输入端，环行隔离器的输出端接三销钉调配器的输入端，三销钉调配器的输出端接波同的输入端，波同的输出端和同轴传输线输入端连接，同轴传输线的输出端通过同轴转换器和微波针头连接。
进一步的，还包括用于对固态微波源和环行隔离器进行冷却的冷却系统。
进一步的，所述冷却系统为水冷系统，水冷系统的出水口接固态微波源的入水口，固态微波源的出水口接环行隔离器的入水口，环行隔离器的出水口接水冷系统的入水口。
进一步的，固态微波源的频率是1-3GHz，输出方式是以波导形式输出，功率在300-1500W范围内可调；
环行隔离器的大小为150-200mm×80-100mm×120-150mm，用于吸收反射回来的微波，防止微波源受反射波辐射升温，损害微波源；
同轴传输线的长度为20-100cm，阻抗为30-100欧姆。
进一步的，微波针头包括圆柱主体和圆锥状针头，针头与药剂的表面接触，而不插入。
进一步的，圆柱主体的长度为3-12cm，直径为0.5-1mm；微波针头的材质为铜，铝或银，微波针头的外面镀镍；微波针头焊接在同轴转换器下。
一种利用空间聚焦微波的微纳米金属/聚合物点火方法，将微波以同轴的方式传输给微波传输良导体微波聚焦机构，微波聚焦机构将微波能量耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的点火装置，通过采用微波针头的形式，很好的将微波的能量聚集到针尖处，降低点火所需要的能量，与几百瓦甚至上千瓦微波烧结金属相比，本装置进行微波点火只需要十几到几十瓦的功率；实现了对微纳米金属/聚合物药剂的快速可靠点火。
(2)本装置通过设置环形隔离器，三销钉调配器和波同，实现微波源和同轴线之间的阻抗匹配，提高微波源的传输效率，同时也能吸收反射回来的微波，保护微波源。
(3)本发明与传统微波加热，烧结相比，能量转换效率更高，点火的时间仅为毫秒到秒级。
(4)本发明与传统微波加热装置相比，质量和体积方面具有更小，更便捷，更强的适应性。
附图说明
图1为本发明简化点火装置示意图。
图2为本发明改善点火装置示意图。
图3为本发明的环行隔离器示意图。
附图标记说明：
1-固态微波源，2-环形隔离器，3-三销钉调配器，4-波同，5-同轴传输线，6-微波针头，7-药品室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种利用空间聚焦微波的微纳米金属/聚合物点火装置，包括固态微波源1，同轴传输线5和微波针头6；
同轴传输线5将固态微波源1发出的微波以同轴的方式传输给微波针头6，微波针头6的材质为微波传输的良导体，微波针头6的针尖与微纳米金属/聚合物形成的药剂表面接触，从而将微波能量耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。
如图2-3所示，点火装置还包括环行隔离器2，三销钉调配器3，同轴转换器和波同4；
所述的固态微波源1和环行隔离器2均通循环水冷却，其中水冷机的出水口接固态微波源1的入水口，固态微波源1的出水口接环行隔离器2的入水口，环行隔离器2的出水口接水冷机的入水口；固态微波源1的输出端接环行隔离器2的输入端，环行隔离器2的输出端接三销钉调配器3的输入端，三销钉调配器3的输出端接波同4的输入端，波同4的输出端和同轴传输线5一端连接，同轴传输线5另一端和微波针头6连接，微波针头6垂直置于微纳米金属/聚合物的表面。
固态微波源1的频率为1-3GHz，额定功率为300-1000w，输出为连续波形式，与冷水机连接，通循环水冷却，通过控制面板设定输出的微波功率。
环行隔离器2以波导形式传输微波，且环行设计将反射回来的微波吸收到水负载中，防止微波源迅速升温，保护微波源。
三销钉调配器3以波导形式传输微波，且通过调节三个销钉的高度可以提高波导和同轴传输线之间的阻抗匹配，减少微波反射。
同轴传输线5以同轴的方式传输微波，通过同轴转换器连接微波针头。同轴传输线5的长度为20-100cm，阻抗为30-100欧姆。
微波针头6材质是微波传输的优良导体，如铜，铝，银等，外面镀一层镍，保护针头免于锈蚀，且直接焊接在同轴转换器下面，同轴转换器是将同轴线传输的微波转换到在微波针头6上传输的装置。
金属颗粒大小为微纳米级别，聚合物为高分子材料，可以调控金属颗粒之间的接触状态，减少微纳米颗粒的团聚现象，提高能量输出。当聚合物含量较少时，微纳米金属/聚合物形貌为颗粒，提高聚合物含量，形貌为丝状，进一步提高聚合物含量，形貌则变为薄膜状。
微波针头的针尖直接贴在药剂的表面，不留空隙。
实施例1
(1)药柱的制备
称取500nm的钛粉20mg，装入5mm直径的微管中，利用压药机保证装药高度，使装药密度为2g/cm3。
(2)利用空间聚焦微波对微纳米金属/聚合物进行点火
将药剂上表面的正中心紧贴微波针头的针尖。设定固态源的微波功率50W,随后进行点火，药剂发火后，关掉微波源，药剂持续燃烧完全。
实施例2
(1)薄膜的制备
量取1ml的四氢呋喃置于药瓶中，随后称取70mg的PVDF溶于四氢呋喃中，待PVDF完全溶解形成透明澄清溶液后，称取70mg的500nm Ti粉，溶于PVDF溶液中，将溶液磁力搅拌12h，形成均一溶液。然后用针管将溶液均匀涂敷在载玻片上，在100℃加热台加热至形成薄膜。
(2)利用空间聚焦微波对微纳米金属/聚合物进行点火
将薄膜上表面的正中心紧贴微波针头的针尖。设定固态源的微波功率30W,随后进行点火，薄膜发火后，关掉微波源，药剂持续燃烧完全。
实施例3
(1)薄膜的制备
量取1ml的四氢呋喃置于药瓶中，随后称取70mg的PVDF溶于四氢呋喃中，待PVDF完全溶解形成透明澄清溶液后，称取70mg的100nm Al粉，溶于PVDF溶液中，将溶液磁力搅拌12h，形成均一溶液。然后用针管将溶液均匀涂敷在载玻片上，在100℃加热台加热至形成薄膜。
(2)利用空间聚焦微波对微纳米金属/聚合物进行点火
将薄膜上表面的正中心紧贴微波针头的针尖。设定固态源的微波功率50W,随后进行点火，薄膜发火后，关掉微波源，药剂持续燃烧完全。

Claims (10)

1.一种空间聚焦微波的用途，其特征在于，用于微纳米金属/聚合物点火。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述微纳米金属/聚合物的形貌为颗粒、丝状或薄膜状；微纳米金属/聚合物中的微纳米金属为颗粒状，大小为微纳米级别，聚合物为高分子材料。
3.一种利用空间聚焦微波的微纳米金属/聚合物点火装置，其特征在于，包括固态微波源，同轴传输线和微波针头；
同轴传输线将固态微波源发出的微波以同轴的方式传输给微波针头，微波针头的材质为微波传输的良导体，微波针头的针尖与微纳米金属/聚合物形成的药剂表面接触，从而将微波能量耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括环行隔离器，三销钉调配器，同轴转换器和波同；
固态微波源的输出端接环行隔离器的输入端，环行隔离器的输出端接三销钉调配器的输入端，三销钉调配器的输出端接波同的输入端，波同的输出端和同轴传输线输入端连接，同轴传输线的输出端通过同轴转换器和微波针头连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括用于对固态微波源和环行隔离器进行冷却的冷却系统。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述冷却系统为水冷系统，水冷系统的出水口接固态微波源的入水口，固态微波源的出水口接环行隔离器的入水口，环行隔离器的出水口接水冷系统的入水口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，固态微波源的频率是1-3GHz，输出方式是以波导形式输出，功率在300-1500W范围内可调；
环行隔离器的大小为150-200mm×80-100mm×120-150mm，用于吸收反射回来的微波，防止微波源受反射波辐射升温，损害微波源；
同轴传输线的长度为20-100cm，阻抗为30-100欧姆。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，微波针头包括圆柱主体和圆锥状针头，针头与药剂的表面接触，而不插入。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，圆柱主体的长度为3-12cm，直径为0.5-1mm；微波针头的材质为铜，铝或银，微波针头的外面镀镍；微波针头焊接在同轴转换器下。
10.一种利用空间聚焦微波的微纳米金属/聚合物点火方法，其特征在于，将微波以同轴的方式传输给微波传输良导体微波聚焦机构，微波聚焦机构将微波能量耦合到微纳米金属/聚合物上，实现对微纳米金属/聚合物快速可靠点火。
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