CN115092422B - 一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘制备方法及其生产装置 - Google Patents

一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘制备方法及其生产装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘制备方法及其生产装置，包括以下步骤：将含有聚叠氮缩水甘油醚、油性聚氨酯黑漆吸光剂、溶剂、氧化剂的混合液，混合得到所述含能GAP工质。在含能GAP工质中，掺杂油性聚氨酯黑漆替代碳粉作为吸光剂，解决了碳粉团聚问题；加入高氯酸铵(AP)和二硝基酰胺铵(ADN)等氧化剂，提升了GAP含能工质激光烧蚀能量释放效率。采用低温等离子体处理，通过增强透明薄膜基底与工质之间界面结合力，解决了溅射或鼓包问题。采用涂布机技术可一次性制成具有数十米长度工质带，利用分切装置裁切成宽度一致的工质供给盘，为激光微推力器提供了一种高比冲、高推进效率、高总冲的工质供给系统。

Description

一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘制备方法及其生产 装置
技术领域
本申请涉及一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘制备方法及其生产装置，属于卫星推进技术领域。
背景技术
激光微推力器是采用脉冲激光烧蚀工质，产生高温、高压、高速喷射羽流，产生推力的，具有高比冲、高推进效率、推力控制精度高、轻质化和小型化等特点。
激光微推力器中可采用气体、液体、固体等工质，当采用气体、液体工质时，由于传输管线、泵阀等影响，工质供给系统比较复杂且尺寸较大；当采用固体工质时，采用透明薄膜基底上涂覆工质构成双层靶带，通过步进电机带动收放卷盘提供工质，工质供给系统可实现轻质化和小型化，可作为微纳卫星用激光微推力器的工质供给系统方案。具体工作时，激光穿过透明薄膜基底，烧蚀工质，获得推力。
目前，激光微推力器中双层靶带的工质供给盘制备中，主要问题为：
(1)为了提高推进性能，采用含能GAP(聚叠氮缩水甘油醚)掺杂纳米碳作为吸光剂，沉积激光能量，由于碳粉团聚造成烧蚀性能不稳定，进而造成推进性能不稳定。需要解决含能GAP工质烧蚀性能不稳定的问题。
(2)由于高温、高压、高速喷射羽流对透明基底的反作用，透明薄膜基底与工质之间界面易产生剥离或撕裂，造成溅射或鼓包，显著降低推进性能。需要解决双层靶带界面结合力增强的问题。
(3)在激光器参数、工质参数给定条件下，靶带式激光微推力器的总冲，主要取决于靶带长度，因此，需要解决厚度均匀、宽度一致、长靶带的制备，以及靶带缠绕后易出现粘连的问题。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种用于激光微推力器双层靶带的含能GAP工质的制备方法，在含能GAP工质中，掺杂油性聚氨酯黑漆替代碳粉作为吸光剂，解决了碳粉团聚问题；加入高氯酸铵(AP)和二硝基酰胺铵(ADN)等氧化剂，提升了GAP含能工质激光烧蚀能量释放效率。
一种用于激光微推力器双层靶带的含能GAP工质的制备方法，包括以下步骤：
将含有聚叠氮缩水甘油醚、油性聚氨酯黑漆吸光剂、溶剂、氧化剂的混合液，混合得到所述含能GAP工质。
可选地，所述溶剂选自四氢呋喃、乙酸乙酯中的至少一种。
可选地，所述氧化剂选自高氯酸铵、二硝基酰胺铵中的至少一种。
可选地，所述聚叠氮缩水甘油醚与所述溶剂的固液比为10g/L～30g/L。
可选地，所述聚叠氮缩水甘油醚与所述溶剂的固液比独立地选自10g/L、13g/L、16g/L、20g/L、23g/L、25g/L、30g/L中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，所述油性聚氨酯黑漆吸光剂在所述含能GAP工质中的质量含量为2％～8％。
可选地，所述油性聚氨酯黑漆吸光剂在所述含能GAP工质中的质量含量独立地选自2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，所述氧化剂在所述含能GAP工质中的质量含量为8％～12％。
可选地，所述氧化剂在所述含能GAP工质中的质量含量独立地选自8％、9％、11％、12％中的任意值或任意两者之间的范围值。
所述含能GAP工质的质量以聚叠氮缩水甘油醚、油性聚氨酯黑漆吸光剂、氧化剂的质量之和来计算。
可选地，混合的条件如下：
温度为40℃～60℃；
时间为4h～6h。
可选地，温度独立地选自40℃、45℃、50℃、55℃、60℃中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，时间独立地选自4h、4.5h、5h、5.5h、6h中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，混合后，40℃～60℃水浴后，得到溶液黏度为200mPa·s～500mPa·s的含能GAP工质。
根据本申请的第二个方面，提供了一种双层靶带的制备方法，采用低温等离子体处理，通过增强透明薄膜基底与工质之间界面结合力，解决了溅射或鼓包问题；采用透明薄膜基底单面镀硅的方法，防止了工质供给盘缠绕中相互粘连问题。
一种双层靶带的制备方法，包括以下步骤：
(S1)将等离子体喷射到单面镀硅透明薄膜基底的未镀硅面；
(S2)将工质浆料涂覆于所述单面镀硅透明薄膜基底的未镀硅面，得到双层工质靶带；
所述工质浆料选自上述所述的制备方法得到的含能GAP工质。
可选地，所述单面镀硅透明薄膜基底选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种。
可选地，所述单面镀硅透明薄膜基底的厚度为30μm～50μm。
可选地，所述单面镀硅透明薄膜基底的厚度独立地选自30μm、35μm、40μm、45μm、50μm中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，所述单面镀硅透明薄膜基底的宽度为5cm～10cm。
可选地，所述单面镀硅透明薄膜基底的宽度独立地选自5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，所述等离子体喷射的功率为1.0kW～2.0kW。
可选地，所述等离子体喷射的功率独立地选自1.0kW、1.2kW、1.4kW、1.6kW、1.8kW、2.0kW中的任意值或任意两者之间的范围值。
可选地，步骤(S2)中，涂覆后进行烘干。
可选地，工质层厚度为0～30μm时，直接烘干。
可选地，工质层厚度大于30μm时，先阴干再烘干。
可选地，烘干温度小于50℃。
低温等离子体处理站对透明薄膜基底进行低温等离子体预处理，可提高透明薄膜基底的表面活性，从而提高透明薄膜基底与工质之间界面结合力，防止透明薄膜基底与工质之间剥离或撕裂，进而防止溅射或鼓包，提高推进性能。
根据本申请的第三个方面，提供了一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备装置。采用涂布机技术将制备含能GAP工质浆料、透明薄膜基底低温等离子体处理、制备双层靶带、制备工质供给盘等步骤整合，可一次性制成具有数十米长度工质带，干燥后利用分切装置裁切成宽度一致的工质，并通过实施伺服驱动纠偏装置保证裁切精度和缠绕整齐，所制备的工质靶带厚度均匀，工质供给盘缠绕后宽度一致，满足长靶带制备要求。
一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备装置，所述制备装置包括低温等离子体处理站、涂布机放卷机、工质刮涂器、干燥箱、支撑框架、涂布机收卷机、分切装置、轮芯、工质带、单面镀硅PET薄膜卷；
所述双层靶带选自选自上述所述的制备方法得到的双层靶带。
可选地，所述支撑框架上加装辊轮和限位角架。
所述制备装置还包括涂布机放液槽、烘干机、伺服驱动纠偏装置、气动恒张力仪。
所述涂布机放卷机用于驱动工质带传动，为整个传动系统的起始装置。
所述涂布机放液槽用于工质溶液存放和流动涂覆。
所述支撑框架用于支撑和张紧工质带。
所述烘干机用于干燥工质层；工质层溶剂挥发在烘干机连接的干燥箱中进行，烘干温度应小于50℃，防止溶剂析出过快，工质带表面出现气泡。
所述伺服驱动纠偏装置用于保证工质带收卷的整齐性和切割位置的准确性，保证切割时无横向偏移。
所述气动恒张力仪用于张紧工质带，防止靶带过长造成松弛。
所述涂布机收卷机用于工质带收卷，将裁切后的工质带缠绕在推力器轮芯上。
所述工质刮涂器：用于工质溶液存放和流动涂覆，通过塞尺微调其与工质靶带的间隙，可实现工质层厚度均匀度和精度控制。
所述分切装置中的切刀间距得到不同宽度的工质靶带；涂布机收卷机与工质靶带轮芯匹配，工质靶带直接缠绕在轮芯上，制作得到工质供给盘。分切装置可用于实现工质带切割后的宽度一致，保证切割宽度的精度。工质靶带直接缠绕在轮芯上，可实现缠绕紧凑与整齐度，从而满足激光微推力器较小空间尺寸的严苛条件。
工质粘稠溶液涂覆方法采用在透明薄膜基底上方流动刮涂，适用于低粘度和较厚工质层需求；通过涂布机刮涂间隙和涂布机传动速度调节工质靶带涂覆厚度。
根据本申请的第四个方面，提供了一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备方法。
一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备方法，包括以下步骤：
将双层靶带分切后，缠绕在工质带轮芯上，得到所述工质供给盘；
所述双层靶带选自上述所述的制备方法得到的双层靶带。
根据本申请的第五个方面，提供了一种工质供给盘在激光微推力器中的应用，为激光微推力器提供了一种高比冲、高推进效率、高总冲的工质供给系统。
一种工质供给盘在激光微推力器中的应用；
所述工质供给盘选自上述所述的工质供给盘。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的一种含能GAP工质的制备方法，在含能GAP工质中，掺杂油性聚氨酯黑漆替代碳粉作为吸光剂，解决了碳粉团聚问题；加入高氯酸铵(AP)和二硝基酰胺铵(ADN)氧化剂，提升了GAP含能工质激光烧蚀能量释放效率。
2)本申请所提供的一种双层靶带的制备方法，采用低温等离子体处理，通过增强透明薄膜基底与工质之间界面结合力，解决了溅射或鼓包问题；采用透明薄膜基底单面镀硅的方法，防止了工质供给盘缠绕中相互粘连问题。
3)本申请所提供的一种双层靶带的制备装置，采用涂布机技术将制备含能GAP工质浆料、透明薄膜基底低温等离子体处理、制备双层靶带、制备工质供给盘等步骤整合，可一次性制成具有数十米长度工质带，干燥后利用分切装置裁切成宽度一致的工质，并通过实施伺服驱动纠偏装置保证裁切精度和缠绕整齐，所制备的工质靶带厚度均匀，工质供给盘缠绕后宽度一致，满足长靶带制备要求。
附图说明
图1为本发明的全过程流程图。
图2为双层靶带制作的主要装置示意图。
图3为涂布机涂覆过程图。
图4为涂覆完成的工质靶带图。
图5为工质供给盘以及缠绕在轮芯上的工质靶带示意图。
图6为40m长的双层靶带在各处的厚度变化图。
图7为掺杂不同质量分数AP前后GAP工质带烧蚀冲量变化图。
图8为掺杂不同质量分数AP前后GAP工质带烧蚀比冲变化图。
部件和附图标记列表：
1-低温等离子体处理站、2-涂布机放卷机、3-工质刮涂器、4-干燥箱、5-支撑框架、6-涂布机收卷机、7-分切装置、8-轮芯、9-工质带、10-单面镀硅PET薄膜卷、11-刮涂器、12-工质溶液、13-待涂覆的基底薄膜、14-溶液出口、15-涂覆完成的双层靶带。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
实施例1
(1)、用天平称取50g聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基热塑性弹性体，使用磁力搅拌器溶解于2L四氢呋喃溶剂中，然后称取4g油性聚氨酯黑漆和6g高氯酸铵(AP)掺杂至溶液中，高氯酸铵(AP)质量占比10％，继续搅拌至混合均匀，然后设定水浴温度55℃，混合溶液挥发至200mL，测量溶液黏度在200～300mPa·s之间即得到所需的粘稠溶液。
(2)、开启涂布机与低温等离子体处理站，将成卷的50μm厚、10cm宽、单面镀硅PET薄膜安装至涂布机放卷机上，通过辊轴依次绕过等离子体装置、工质刮涂器、支撑框架、烘干机、干燥箱，最后通过分切装置、涂布机收卷机后缠绕于工质带轮芯上。低温等离子体处理站处理功率设置为1.8kW，涂布机传动开启，即带动PET薄膜进行低温等离子体预处理。
(3)、PET薄膜经过步骤(2)低温等离子体预处理后传动至涂布机放液槽，涂布机放液槽与PET薄膜间隙调节为0.3μm，涂布机系统脉冲数设置为50，向涂布机放液槽中添加步骤(2)制备的粘稠溶液，随着PET薄膜的传动，工质层即涂敷在PET薄膜上，如图3所示。工质层干燥后的目标厚度为50μm，工质带总厚度100μm，涂覆完成的工质带如图4所示；工质带通过支撑框架上的辊轴和限位角架，辊轴通过高度差来支撑和张紧工质带，限位角架用于防止工质带运行中左右偏移，在涂布机收卷机一侧通过伺服驱动纠偏装置和气动恒张力仪，伺服驱动纠偏装置保证工质带收卷的整齐性，气动恒张力仪用于张紧40米长的工质带。
(4)、待40m工质带全部涂覆完成后，关闭低温等离子体处理站和涂布机，保持工质带张紧状态，防止突然松弛造成液面流动和抖动。在室温下使溶剂四氢呋喃自然挥发，为阴干过程，12小时后带工质带表面干燥后开启烘干机进行烘干过程，烘干机温度设置为45℃，防止溶剂析出过快，工质带表面出现气泡。
(5)、工质带完全干燥成型后，再次启动涂布机和分切装置进行分切，调节切刀间距为1cm，并将推力器工质带轮芯安装在涂布机收卷机上，保持伺服驱动纠偏装置开启，工质带通过分切装置后，被分切成1cm的宽度，并直接缠绕在推力器工质带轮芯上，分切与缠绕同步进行，工质带轮缠绕完成后即可安装在推力器上使用，如图5所示。
对工质带厚度进行测量，等间隔选择测量点，厚度变化如图6所示，平均厚度103.6μm，标准偏差2.44，满足厚度100μm的工质带需求。
对比例1
(1)、用天平称取50g聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基热塑性弹性体，使用磁力搅拌器溶解于2L四氢呋喃溶剂中，然后称取4g油性聚氨酯黑漆和13.5g高氯酸铵(AP)掺杂至溶液中，高氯酸铵(AP)质量占比20％，继续搅拌至混合均匀，然后设定水浴温度55℃，混合溶液挥发至200mL，测量溶液黏度在200～300mPa·s之间即得到所需的粘稠溶液。
(2)-(5)同实施例1。
掺杂10％及20％AP的GAP工质带烧蚀冲量变化如图7所示，从图中可看到，掺杂AP的GAP工质带烧蚀冲量均随激光功率密度和脉宽的增加而升高。掺杂10％及20％AP的GAP工质带烧蚀比冲变化如图8所示，从图中可观察到，掺杂AP的GAP工质带烧蚀比冲大致随激光功率密度和脉宽的增加呈先上升后下降的趋势。从图7可看出，同一激光参数下，掺杂AP的GAP工质带烧蚀单脉冲冲量随AP掺杂量的上升呈下降趋势。同一工况下，掺杂10％AP的GAP工质带和掺杂20％AP的GAP工质带的烧蚀冲量高于未掺杂AP的GAP工质带烧蚀冲量。从图8可看出，掺杂10％AP的GAP工质带烧蚀比冲均高于未掺杂AP的GAP工质带的烧蚀比冲，单掺杂20％AP的GAP工质带烧蚀比冲却低于未掺杂AP的GAP工质带的烧蚀比冲，这说明高能量密度物质AP在GAP中的添加虽可在一定程度上提升工质带的烧蚀比冲，但其添加量需进行控制。这主要是因为在激光烧蚀过程中，AP分解释放的氧气和热量能有效促进GAP的燃烧和能量释放。因此GAP工质层中掺杂AP有利于提升GAP基工质层的单脉冲烧蚀冲量和比冲。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (18)

1.一种用于激光微推力器双层靶带的含能GAP工质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含有聚叠氮缩水甘油醚、油性聚氨酯黑漆吸光剂、溶剂、氧化剂的混合液，混合得到所述含能GAP工质；
所述氧化剂选自高氯酸铵；
所述油性聚氨酯黑漆吸光剂在所述含能GAP工质中的质量含量为2％～8％；
所述氧化剂在所述含能GAP工质中的质量含量为8％～12％；
所述含能GAP工质的质量以聚叠氮缩水甘油醚、油性聚氨酯黑漆吸光剂、氧化剂的质量之和来计算。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自四氢呋喃、乙酸乙酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚叠氮缩水甘油醚与所述溶剂的固液比为10g/L～30g/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，混合的条件如下：
温度为40℃～60℃；
时间为4h～6h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，混合后，40℃～60℃水浴后，得到溶液黏度为200mPa·s～500mPa·s的含能GAP工质。
6.一种双层靶带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)将等离子体喷射到单面镀硅透明薄膜基底的未镀硅面；
(S2)将工质浆料涂覆于所述单面镀硅透明薄膜基底的未镀硅面，得到双层工质靶带；
所述工质浆料选自权利要求1～5任一项所述的制备方法得到的含能GAP工质。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述单面镀硅透明薄膜基底选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述单面镀硅透明薄膜基底的厚度为30μm～50μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述单面镀硅透明薄膜基底的宽度为5cm～10cm。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体喷射的功率为1.0kW～2.0kW。
11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(S2)中，涂覆后进行烘干。
12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，工质层厚度为0～30μm时，直接烘干。
13.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，工质层厚度大于30μm时，先阴干再烘干。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，烘干温度小于50℃。
15.一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括低温等离子体处理站、涂布机放卷机、工质刮涂器、干燥箱、支撑框架、涂布机收卷机、分切装置、轮芯、工质带、单面镀硅PET薄膜卷；
所述双层靶带选自选自权利要求6～14任一项所述的制备方法得到的双层靶带。
16.根据权利要求15所述的制备装置，其特征在于，所述支撑框架上加装辊轮和限位角架。
17.一种用于激光微推力器双层靶带的供给盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将双层靶带分切后，缠绕在工质带轮芯上，得到所述工质供给盘；
所述双层靶带选自权利要求6～14任一项所述的制备方法得到的双层靶带。
18.一种工质供给盘在激光微推力器中的应用，其特征在于，所述工质供给盘选自权利要求17所述的工质供给盘。
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