一種用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材制備工藝制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種雙層薄膜靶材的制備工藝，制成的薄膜靶材可用于透射式激光燒蝕推進。靶材分燒蝕層和透明基底兩層，制備的主要流程為，首先通過配比在乙酸乙酯中融合，使主要成分形成充分混合和反應(yīng)。而后通過蒸發(fā)溶劑，得到粘稠溶液，并使用不同厚度的四面制備器將粘稠液體刮涂在透明基底上，得到雙層薄膜。隨后將雙層薄膜置于恒溫低壓環(huán)境中蒸發(fā)溶劑，得到固化的雙層薄膜靶材。最后，要對薄膜靶材的附著力，厚度和摻雜物粒徑進行檢測并標(biāo)注，方面后續(xù)使用。

Process for preparing double layer film target material for transmission type laser ablative propulsion

The invention provides a preparation process of double layer film target material, which can be used for transmission laser ablation propulsion. The target material is divided into two layers: the ablation layer and the transparent substrate, and the main process is prepared by mixing the mixture in ethyl acetate first, so that the main component forms a full mixing and reaction. Then, the viscous solution is obtained by evaporating the solvent, and the thick liquid is scraped on the transparent substrate by using a four layer device with different thickness, and a double layer film is obtained. The double layer film is then evaporated in a constant temperature and low pressure environment to obtain a solidified bilayer film target. Finally, the adhesion, thickness and dopant particle size of the film target shall be examined and marked for subsequent use.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材制備工藝
本專利技術(shù)屬于材料制備在激光航天領(lǐng)域的應(yīng)用，是一種用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材的制備工藝。
技術(shù)介紹
激光燒蝕推進是指通過燒蝕自身攜帶的工質(zhì)與激光作用產(chǎn)生推力的推進模式，具有比沖高，可控性好等特點。燒蝕工作模式上，可分為反射式和透射式兩種。若激光直接作用于靶材之上，則燒蝕產(chǎn)物與入射激光在同側(cè)，這種方式為反射式；若在激光透過一層透明基底作用于靶材，則由于基底的格檔作用，燒蝕產(chǎn)物的噴射方向在入射激光的異側(cè)，這種方式為透射式。反射式工作模式結(jié)構(gòu)簡單，能量利用率較高，但噴射產(chǎn)物與光學(xué)器件位于同側(cè)，很容易對光學(xué)器件造成污染，不利于重復(fù)使用。透射式工作模式需要耐高溫高壓的透明材料作為靶材的基底，實施起來比反射式更為復(fù)雜，但由于約束能使噴射具有更好的方向性，且能有效克服反射式燒蝕的羽流污染問題，適合脈沖式激光燒蝕推進應(yīng)用。薄膜靶材是一種激光燒蝕推進實驗中常用的靶材，對于透射式激光燒蝕實驗，通常需要將燒蝕層附著在一層透明基底上，構(gòu)成雙層薄膜靶材。其中，透明基底需要具備高透光性和耐沖擊性，而燒蝕層則選擇在吸收激光能量后噴射高速產(chǎn)物的工質(zhì)，工質(zhì)可分為含能工質(zhì)和非含能工質(zhì)，其中含能工質(zhì)由于在激光燒蝕的過程中還會釋放自身化學(xué)能，可大大提高推進性能，被廣泛應(yīng)用于以激光為推力器為代表的空間飛行器推進裝置中。常見的含能工質(zhì)有粘稠狀液體的聚疊氮縮水甘油醚(GAP)，纖維狀的硝化棉(NC)等，它們具備很高的比能，但不能直接用于激光燒蝕推進，需要進行處理，使其能與薄膜狀的透明基底良好的附著在一起。另一方面，研究表明，GAP和NC對激光能量的吸收率較低，因此需要在其中添加紅外燃料或碳粉用于提高激光能量的吸收率，而為了提高比沖，可以向燒蝕層中添加一定的金屬粉末摻雜物。綜上所示，用于激光燒蝕推進研究的原料包括含能工質(zhì)，吸收劑，摻雜物等，如何將這些原料制備成薄膜并與基地薄膜結(jié)合在一起，需要特殊的制備工藝，本專利技術(shù)通過配比混合、蒸發(fā)增稠、薄膜刮涂、干燥固化、檢測標(biāo)注五個步驟，可以制備不同成分，不同厚度的雙層薄膜靶材。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材的制備工藝，其實現(xiàn)包括以下過程：1.將含能工質(zhì)與其他成分在有機溶劑中的配比混合，形成均一溶液；2.恒溫蒸發(fā)部分溶劑，使均一溶液成為粘稠液體；3.將粘稠液體涂附在透明基底上，形成雙層薄膜靶材；4.在恒溫低壓條件下徹底蒸發(fā)溶劑，形成牢固的薄膜靶材。5.對薄膜含能靶材的性能進行檢測。其特征在于：A.含能工質(zhì)與其他成分的混合(A1)備選的含能工質(zhì)為聚疊氮縮水甘油醚(GAP)或硝化纖維(NC)或GAP與硝化纖維的混合物(GAP/NC)中的一種；(A2)備選的吸收劑為紅外染料(IR)或碳粉(C)中的一種；(A3)備選的摻雜物為氧化銅粉(CuO)或鐵粉(Fe)中的一種，也可以選擇不添加摻雜。(A4)使用的固化劑為異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，催化劑為二月桂酸二丁基錫(DBTDL)；(A5)混合時，首先將含能工質(zhì)、固化劑、吸收劑、摻雜物按質(zhì)量配比混合，而后額外添加0.2％的催化劑。將上述混合物加入乙酸乙酯中，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙狻?A5)混合后的溶液需要靜置48小時再進行B步驟的步操作。B.蒸發(fā)部分溶劑，使溶液成為粘稠液體(B1)蒸發(fā)方式為使用干燥箱蒸發(fā)，溫度為50℃；(B2)蒸發(fā)后粘稠液體的粘度應(yīng)達(dá)到12Pa·s。C.將粘稠液體涂附在透明基底上，形成雙層薄膜。(C1)使用四面制備器作為刮刀刮涂；(C2)依據(jù)刮刀的規(guī)格不同可制作不同厚度的薄膜，分別為30μm、50μm、75μm、100μm、125μm、150μm；(C3)透明基底材料為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，厚度約100μm。D.徹底蒸發(fā)溶劑，得到完全固化的薄膜靶材。(D1)環(huán)境為溫度溫度50℃，氣壓100Pa。E.對薄膜含能靶材的性能進行檢測。(E1)檢測指標(biāo)包括靶材厚度，靶材表面附著力和摻雜物粒徑；(E2)附著力不低于5B級。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的全過程流程圖；圖2為溶液混合示意圖，圖中標(biāo)注，1-密閉透明容器，2-溶液，3-磁力攪拌器；圖3為刮涂法原理示意圖，圖中標(biāo)注，1-刮刀，2-涂層溶液，3-透明基底；圖4為刮涂操作平臺示意圖，圖中標(biāo)注，1-操作員位置，2-加熱平臺，3-掛圖裝置，4-通風(fēng)氣流方向；圖5為薄膜測厚點位置圖，圖中標(biāo)注，1-測厚點。具體實施方案本工藝使用的原料中，含能工質(zhì)有三種，吸收劑有兩種，摻雜物有兩種或不添加，固化劑一種，催化劑一種，原料搭配共計18種，每種原料搭配可制成6種厚度，不同型號的薄膜靶材命名方式為“含能工質(zhì)/燒蝕層厚度+吸收劑含量+摻雜物含量”，例如型號GAP/30+1％IR+1％CuO，表示其原料配比中含能工質(zhì)為為GAP，厚度為30μm，吸收劑為IR，占總質(zhì)量的1％，摻雜物為CuO，占總質(zhì)量的1％。每種薄膜靶材除了原料配比不同外，制備工藝相同，流程如圖1所示。下面就以GAP/30+1％IR+1％Cuo為例，詳細(xì)敘述薄膜靶材的一次制備過程。①首先用高進度電子天平秤取8.4gGAP，1.4g的IPDI，0.1gIR，0.1gCuO，0.02gDBTDL并混合，加入50ml的乙酸乙酯中，使用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢柚寥芤褐袩o不溶物，密封后靜置48小時。②將溶液置于50℃的恒溫干燥箱中蒸發(fā)部分溶劑，隨著溶劑的蒸發(fā)，溶液將變得越來越粘稠，每隔約10分鐘測定一次粘度，當(dāng)粘度達(dá)到12Pa·s時停止蒸發(fā)，得到粘稠液體。③刮涂法制備薄膜的原理如圖3所示。在如圖4所示的刮涂平臺上將粘稠液體置于聚對苯二甲酸乙二脂(PET)透明基底上，首先用刮板將粘稠液體在基地上延展開，而后使用30μm的四面制備器為刮刀反復(fù)刮涂，直至涂層表面均勻、平整、光滑。在刮涂的同時，使用加熱器保持基底和涂層的溫度，保持主動對流加快溶劑揮發(fā)，由于使用的有機材料有一定毒性，人員在步驟①②③中必須佩戴防毒面具。④將步驟③中刮涂得到的薄膜靶材置于圖5所示的低壓恒溫干燥裝置中，對其內(nèi)部進行加熱，并使用電熱絲加熱使保持溫度為50℃，使用真空泵抽氣保持氣壓為100Pa，將溶劑徹底蒸發(fā)，得到固化的雙層薄膜靶材。⑤由步驟④得到的雙層薄膜靶材在用于激光燒蝕推進實驗之前，還需要對其性能進行檢測和標(biāo)注，檢測項目包括薄膜的附著力，以ASTM標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注，薄膜燒蝕層的厚度，以測量值加誤差度標(biāo)注，薄膜中摻雜物的分散程度，以摻雜物的粒徑標(biāo)注。使用百格測試法對薄膜的附著力檢測，將制備好的靶材，利用百格刀在薄膜表面劃十字格，若切口邊緣光滑，格子邊緣沒有任何剝落，可認(rèn)定為附著力較好的5B級。使用薄膜測厚儀對雙層薄膜和透明基底的厚度進行測量，二者相減得到燒蝕層的厚度，測量時，如圖5所示，在薄膜的上取9個點進行測量并取平均值為薄膜厚度，以減小測量誤差。使用光學(xué)顯微鏡靶材中摻雜物的分布狀況，并估測摻雜物的粒徑，以此來評價摻雜物的分散程度。附表：部分型號薄膜靶材性能本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
本專利技術(shù)提供了一種用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材制備工藝，其操作包括以下過程：A.將含能工質(zhì)與其他成分在有機溶劑中的配比混合，形成均一溶液；B.恒溫蒸發(fā)部分溶劑，使均一溶液成為粘稠液體；C.將粘稠液體涂附在透明基底上，形成雙層薄膜靶材；D.在恒溫低壓條件下徹底蒸發(fā)溶劑，形成牢固的薄膜靶材；E.對薄膜含能靶材的性能進行檢測；其特征在于,A.含能工質(zhì)與其他成分的混合,(A1)備選的含能工質(zhì)為聚疊氮縮水甘油醚(GAP)或硝化纖維(NC)或GAP與硝化纖維的混合物(GAP/NC)中的一種；(A2)備選的吸收劑為紅外染料(IR)或碳粉(C)中的一種；(A3)備選的摻雜物為氧化銅粉(CuO)或鐵粉(Fe)中的一種，也可以選擇不添加摻雜；(A4)使用的固化劑為異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，催化劑為二月桂酸二丁基錫(DBTDL)；(A5)混合時，首先將含能工質(zhì)、固化劑、吸收劑、摻雜物按質(zhì)量配比混合，而后額外添加0.2％的催化劑，將上述混合物加入乙酸乙酯中，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙猓?A5)混合后的溶液需要靜置48小時再進行B步驟的步操作；B.蒸發(fā)部分溶劑，使溶液成為粘稠液體，(B1)蒸發(fā)方式為使用干燥箱蒸發(fā)，溫度為50℃；(B2)蒸發(fā)后粘稠液體的粘度應(yīng)達(dá)到12Pa·s；C.將粘稠液體涂附在透明基底上，形成雙層薄膜；(C1)使用四面制備器作為刮刀刮涂；(C2)依據(jù)刮刀的規(guī)格不同可制作不同厚度的薄膜，分別為30μm、50μm、75μm、100μm、125μm、150μm；(C3)透明基底材料為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，厚度約100μm；D.徹底蒸發(fā)溶劑，得到完全固化的薄膜靶材，(D1)環(huán)境為溫度溫度50℃，氣壓100Pa；E.對薄膜含能靶材的性能進行檢測，(E1)檢測指標(biāo)包括靶材厚度，靶材表面附著力和摻雜物粒徑；(E2)附著力不低于5B級。...

【技術(shù)特征摘要】
1.本發(fā)明提供了一種用于透射式激光燒蝕推進的雙層薄膜靶材制備工藝，其操作包括以下過程：A.將含能工質(zhì)與其他成分在有機溶劑中的配比混合，形成均一溶液；B.恒溫蒸發(fā)部分溶劑，使均一溶液成為粘稠液體；C.將粘稠液體涂附在透明基底上，形成雙層薄膜靶材；D.在恒溫低壓條件下徹底蒸發(fā)溶劑，形成牢固的薄膜靶材；E.對薄膜含能靶材的性能進行檢測；其特征在于,A.含能工質(zhì)與其他成分的混合,(A1)備選的含能工質(zhì)為聚疊氮縮水甘油醚(GAP)或硝化纖維(NC)或GAP與硝化纖維的混合物(GAP/NC)中的一種；(A2)備選的吸收劑為紅外染料(IR)或碳粉(C)中的一種；(A3)備選的摻雜物為氧化銅粉(CuO)或鐵粉(Fe)中的一種，也可以選擇不添加摻雜；(A4)使用的固化劑為異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，催化劑為二月桂酸二丁基錫(DBTDL)；(A5)混合時，首先將含能工質(zhì)、固化劑、吸...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：洪延姬，李南雷，祝超，常浩，周偉靜，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍裝備學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11