CN115504845A - 一种用于激光微推进的液态金属工质带及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于激光微推进的液态金属工质带及其制备方法。所述液态金属工质带包括：薄膜基体，包括经过低温等离子体处理的第一表面；液态金属层，设置于所述第一表面上；其中，所述液态金属层的材料包括经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属。该液态金属工质，实现了镓基液态金属在薄膜基体表面的有效黏附，可使高能激光以透射模式烧蚀金属，有效避免了金属烧蚀羽流对激光器元件的污染，提升了激光微推进技术的比冲。

Description

一种用于激光微推进的液态金属工质带及其制备方法
技术领域
本发明属于激光微推进用工质材料制备技术领域，具体涉及一种用于激光微推进的液态金属工质带及其制备方法。
背景技术
激光微推进是一种利用高能激光烧蚀工质产生高速反喷羽流，从而驱动空间飞行器高速飞行的新型推进技术。与传统化学火箭推进技术相比，其具有系统集成度高、质量轻、冲量比特单元小、比冲高、推力调节范围宽等有点，其在微纳卫星动力系统方面具有巨大的应用潜力，可为微纳卫星姿态调整、轨道保持和快速机动提供动力。目前，微纳卫星对激光微推进技术的需求主要体现在比冲和推力方面。在工质质量有限的情况下，比冲越高，激光微推进技术为维纳卫星提供的总冲量就越大，微纳卫星在轨使用寿命就越长。激光微推进技术的推力越大，越有利于微纳卫星快速机动变轨。激光微推进技术的比冲与工质烧蚀产生的反喷羽流有关，羽流速度越大，激光烧蚀微推进技术的比冲越高。而激光微推进技术的推力则与单脉冲烧蚀冲量有关，单脉冲烧蚀冲量越大，激光微推进技术产生的推力越大。
激光微推进技术的比冲和推力的优化可通过激光参数的调整和烧蚀工质的优化来进行，现阶段烧蚀工质优化的可行性更大。目前激光烧蚀工质的优化研究主要集中于聚合物含能材料，如聚叠氮缩水甘油醚等。含能材料在激光烧蚀作用下，可通过含能基团和主链的分解释放大量化学能，使激光微推进技术产生良好的推进性能。与含能材料相比，金属工质在高能激光烧蚀作用下的比冲更高，这与金属原子电离能低且易离化形成等离子体有关。例如：铝在10.8mJ/cm2能量密度激光烧蚀作用下，烧蚀比冲可达4000s。而同样条件下，含能工质的激光烧蚀比冲普遍低于1000s。但以固体金属为烧蚀工质的激光微推进技术推力远小于含能材料，这是因为固体金属的单脉冲烧蚀质量很小(＜1μg)，使得产生的单脉冲烧蚀冲量很小。此外，以固体金属为工质的激光烧蚀微推进技术，激光器只能以反射模式烧蚀金属，这极易造成反喷羽流对激光器元件的污染，缩短激光器的使用寿命，这是限制金属在激光微推进技术中应用的一个重要原因。
发明内容
激光烧蚀固体金属时，金属吸收的激光能量部分用于自身熔化、气化，其余部分用于金属蒸气的等离子体化。而高能激光烧蚀镓基液态金属时，由于其本身为液态，故烧蚀过程可直接跨过金属的熔化阶段，更多的激光能量将用于镓基液态金属的气化和等离子体化。因此高能激光烧蚀液态金属的羽流反喷速度和单脉冲烧蚀量势必高于固体金属的羽流反喷速度和单脉冲烧蚀量，使以金属为工质激光微推进技术的比冲和推力得到有效提升。
基于此，本发明提供一种用于激光微推进的液态金属工质带及其制备方法。该液态金属工质带以镓基液态金属作为激光烧蚀微推进技术工质材料，通过配置熔点在10.5℃以下的镓基液态金属，低温等离子体处理薄膜基体表面及在镓基液态金属表面形成大量氧化物的方法，实现了镓基液态金属在薄膜基体的等离子体处理面的有效黏附，制备出了可使高能激光以透射模式烧蚀的镓基液态金属工质带，提升了以金属为烧蚀工质的激光微推进技术的比冲、推力、安全性和可靠性。
具体来说，本发明提供了如下技术方案：
一种用于激光微推进的液态金属工质带，包括：
薄膜基体，包括经过低温等离子体处理的第一表面；
液态金属层，设置于所述第一表面上；
其中，所述液态金属层的材料包括经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述薄膜基体的材料为PI、PEEK、PVT、PDMS或PET，更优选的，所述薄膜基体对530nm和1064nm波长的透过率为88％以上。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述低温等离子体处理的处理功率为500～2000W，处理时间为2～8s。处理温度可选择为室温。进一步优选的，所述低温等离子体处理的处理功率为800～1200W。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述薄膜基体包括经过镀硅处理的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述低熔点镓基液态金属的熔点在10.5℃以下，更优选的，所述低熔点镓基液态金属的粘度为3～5mPa·s。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述低熔点镓基液态金属为镓、铟、锡和可选择加入的铝、锌、钠、钾、铯的混合物；
进一步优选的，以质量百分比计，所述低熔点镓基液态金属的组成为：镓64～67％、铟19～20.5％、锡10～12.5％、铝0～3％、锌0～2％、钠0～1％、钾0～0.5％、铯0～0.5％。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述表面氧化处理为空气或氧气内高温氧化，其中，氧化温度为150～250℃，氧化处理时间为10～50min，进一步优选为25～35min。在空气或氧气环境下，镓基液态金属的表面可形成一层氧化膜，该氧化膜可降低镓基液态金属的表面张力，增加液态金属在薄膜基体上的附着力。
优选的，上述的用于激光微推进的液态金属工质带中，所述薄膜基体的厚度为100～200μm，所述液态金属层的厚度为20～50μm，工质带平放和竖直放立时，液态金属层不发生明显的流动变形。
本发明还提供一种上述的用于激光微推进的液态金属工质带的制备方法，包括：
提供金属或合金，加热至熔融得到低熔点镓基液态金属；
在空气或氧气气氛下，对所述低熔点镓基液态金属进行加热搅拌，即可制得经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属；
对所述薄膜基体的第一表面进行低温等离子体处理；
通过刮涂的方法将经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属涂覆到所述第一表面，以形成所述液态金属层。
优选的，上述制备方法中，所述刮涂的设备采用四面制备器，所述四面制备器的材质为304不锈钢，避免刮涂过程中镓基液态金属对四面制备器的腐蚀。
优选的，上述制备方法中，所述加热搅拌的温度为150～250℃，时间为10～50min，转速为200～500r/min。
本发明所取得的有益效果：
本发明提供的用于激光微推进的液态金属工质带，实现了镓基液态金属在薄膜基体表面的有效黏附，可使高能激光以透射模式烧蚀金属，有效避免了金属烧蚀羽流对激光器元件的污染，提升了激光微推进技术的比冲。
本发明提供的液态金属工质带的制备方法，工艺简单、流程短、能耗低、可控性强，制备的镓基液态金属工质带无毒，对环境污染小。可通过合适的工艺设计，实现本发明液态金属工质带的连续生产，保证了液态金属工质带在激光微推进技术中的经济性。
附图说明
图1为实施例1的Ga67In20.5Sn12.5液态金属在等离子体处理前的PI薄膜表面的润湿角。
图2为实施例1的Ga67In20.5Sn12.5液态金属在等离子体处理后的PI薄膜表面的润湿角。
图3为实施例1中所用刮涂工艺示意图，其中，1-四面制备器、2-镓基液态金属浆料、3-液态金属层、4-PI薄膜、5-刮涂平台。
图4为激光以透射模式烧蚀实施例1的液态金属工质带示意图，其中，1-激光器、2-聚焦透镜、3-激光、4-PI薄膜、5-液态金属层、6、等离子体反喷羽流。
图5为实施例1和实施例2中PI薄膜经不同等离子体功率处理后，所制备的工质带激光烧蚀比冲变化图。
图6为实施例1和实施例3中Ga67In20.5Sn12.5熔体经不同时间氧化处理后，所制备的工质带激光烧蚀比冲变化图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
以下实施例中，所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所用原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
实施例1提供一种Ga67In20.5Sn12.5(熔点为10.5℃)液态金属工质带，该液态金属工质带的制备方法为：
(1)制备Ga67In20.5Sn12.5液态金属浆料：用天平分别量取67g镓、20.5g铟和12.5g锡。将称量好的镓铟锡金属放入干燥清洁的烧杯内，随后将烧杯置于电磁搅拌加热台上，加热台温度设定为250℃。待镓、铟、锡金属全部熔化后，在熔体内放入磁石转子并将电磁搅拌转速设定为400r/min，在空气气氛中对熔体进行30min的旋转搅拌氧化处理。随后关闭电磁搅拌加热台，熔融液体在空气中自然冷却后得到Ga67In20.5Sn12.5液态金属浆料。
(2)将一面镀硅的市售100μm厚、50mm宽且对530nm波长透过率为89％的成卷PI薄膜(宁波今山电子材料有限公司生产的MT100型PI薄膜)，放置于低温等离子体仪(南京苏曼等离子体科技有限公司生产的HCS-100～3500S电晕处理站)的传输设备上，PI膜穿过低温等离子体仪的放电电极和导电辊之间，其中未镀硅面正对放电电极。低温等离子体仪功率设定为1000W，处理温度为室温，PI薄膜等离子体处理时间为5s(PI薄膜在等离子体氛围中的滞留时间)。PI膜经等离子体处理收卷后，用保鲜膜包裹并置于氩气环境手套箱中备用。
用接触角测量仪表征PI薄膜等离子体处理前后，Ga67In20.5Sn12.5液态金属在其表面润湿角的变化，结果分别如图1、图2所示。由图1和图2对比可知，Ga67In20.5Sn12.5液态金属在PI薄膜表面的润湿角由未等离子体处理前的107.91°下降为等离子体处理后的77.86°，说明PI薄膜表面的低温等离子体处理可有效改善镓基液态金属在其表面的润湿性，促进镓基液态金属在PI薄膜表面的有效涂敷。
(3)将步骤(2)中经低温等离子体处理的PI薄膜截取一段平铺于刮涂平台上，其中等离子体处理面朝上。用胶头滴管将配置的Ga67In20.5Sn12.5液态金属浆料铺展在PI膜表面，随后使用间隙30μm的四面制备器作为刮刀反复刮涂，保证Ga67In20.5Sn12.5液态金属均匀、平整地涂敷于PI膜表面，刮涂工艺示意图如图3所示。
(4)将步骤(3)中刮涂后的工质带放置于洁净台上静置1h后，得到上层为液态金属层，下层为薄膜基体的镓基液态金属工质带。测厚仪测试结果显示，Ga67In20.5Sn12.5液态金属层厚度范围为28～31μm。所制备的镓基液态金属工质带竖直放置时，液态金属层不发生明显的流动变形。
(5)将镓基液态金属工质带切割成特定尺寸后，使用高能激光以透射模式烧蚀镓基液态金属工质带，烧蚀示意图如图4所示，激光器发射出的激光束经聚焦透镜整形并透过薄膜基底后聚焦到镓基液态金属工质带上，高能激光烧蚀Ga67In20.5Sn12.5液态金属层产生等离子体反喷羽流，形成推力。
实施例2
与实施例1相比，其区别在于：PI薄膜第一表面经低温等离子体仪的处理功率变为500W、1500W及2000W，PI薄膜低温等离子体处理的环境温度、时间及气体氛围均与实施例1相同。随后按照实施例1所述的方法制备镓基液态金属工质带。
实施例3
与实施例1相比，其区别在于：所制备的Ga67In20.5Sn12.5熔体的旋转搅拌氧化处理时间变为10min和50min，Ga67In20.5Sn12.5熔体氧化处理的温度、气氛和旋转搅拌速度均与实施例1相同。随后按照实施例1所述的方法制备镓基液态金属工质带。
实验例
由于工质带的激光烧蚀比冲直接决定了推力器的使用寿命，因此在实验例中，我们以工质带的烧蚀比冲来对比实施例1、2、3所制备的工质带的激光烧蚀推进性能。激光器选用波长为1064nm，脉宽为8ns的Nd:YAG激光器，Nd:YAG激光器的输出功率为2.71×1010W/cm2，工质带烧蚀推进性能测试的背景气压约为10Pa。实验采用常见的电磁阻尼二阶运动扭摆法测量工质带激光烧蚀微冲量，结合工质带激光烧蚀质量推算出激光烧蚀比冲。
实施例1和实施例2中，PI基底薄膜经不同功率等离子体处理后制备的工质带烧蚀比冲如图5所示。从图5中可看出，以1000W等离子体处理后制备的工质带烧蚀比冲最大，可达2400s。等离子体处理功率超过1000W后，工质带烧蚀比冲随等离子处理功率的升高呈下降趋势。
实施例1和实施例3中，Ga67In20.5Sn12.5熔体不同氧化处理时间后制备的工质带烧蚀比冲如图6所示。从图6中可看出，Ga67In20.5Sn12.5熔体氧化处理30min后制备的工质带烧蚀比冲最大，可达2400s。进一步增加Ga67In20.5Sn12.5熔体的氧化时间，工质带的烧蚀比冲呈下降趋势。
结合实施例1、2和3的实验效果可看出，以实施例1制备出的工质带激光烧蚀比冲效果最佳。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，包括：
薄膜基体，包括经过低温等离子体处理的第一表面；
液态金属层，设置于所述第一表面上；
其中，所述液态金属层的材料包括经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属。
2.根据权利要求1所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述薄膜基体的材料为PI、PEEK、PVT、PDMS或PET，优选的，所述薄膜基体对530nm和1064nm波长的透过率为88％以上。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述低温等离子处理的功率为500～2000W，处理时间为2～8s。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述薄膜基体包括经过镀硅处理的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述低熔点镓基液态金属的熔点在10.5℃以下，优选的，所述低熔点镓基液态金属的粘度为3～5mPa·s。
6.根据权利要求5所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述低熔点镓基液态金属为镓、铟、锡和可选择加入的铝、锌、钠、钾、铯的混合物；
优选的，以质量百分比计，所述低熔点镓基液态金属的组成为：镓64～67％、铟19～20.5％、锡10～12.5％、铝0～3％、锌0～2％、钠0～1％、钾0～0.5％、铯0～0.5％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于激光微推进的液态金属工质带，其特征在于，所述表面氧化处理为空气或氧气内高温氧化，其中，氧化温度为150～250℃，氧化处理时间为10～50min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于激光微推进的镓基液态金属工质带，其特征在于，所述薄膜基体的厚度为100～200μm，所述液态金属层的厚度为20～50μm。
9.权利要求1-8任一项所述的用于激光微推进的液态金属工质带的制备方法，其特征在于，包括：
提供金属或合金，加热至熔融得到低熔点镓基液态金属；
在空气或氧气气氛下，对所述低熔点镓基液态金属进行加热搅拌，即可制得经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属；
对所述薄膜基体的第一表面进行低温等离子体处理；
通过刮涂的方法将经过表面氧化处理的低熔点镓基液态金属涂覆到所述第一表面，以形成所述液态金属层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述刮涂的设备采用四面制备器，所述四面制备器的材质为304不锈钢。
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