一种超高效率的激光微推进的固态工质及制备方法与应用

1.本发明属于激光微推进用工质制备技术领域，具体涉及一种超高效率的激光微推进的固态工质及制备方法与应用。


背景技术：

2.激光推进作为一种具有将近50年历史的推进技术，被认为是一种很有发展前景的微推进技术，在微纳卫星推进中有着重要的应用。然而，目前激光微推进技术在微纳卫星的应用中仍然存在诸多挑战，其中一方面就是工质的选择。工质可以为微纳卫星的姿态调整、变轨等动作提供能量，因此工质决定了微纳卫星的性能和使用寿命。
3.目前，常用的激光微推进剂有聚合物、单元素靶材，如碳和单金属元素等。单元素靶材在激光烧蚀过程中具有烧蚀深度浅，更容易形成等离子体等特点，因此损耗少量的材料就可以获得较高的比冲，但由于其对激光还具有吸收系数大等缺点，因而获得的冲量耦合系数较低。相对于单元素材料，聚合物具有导热系数低、熔点低等特点，所以获得的冲量耦合系数较高，但由于聚合物对激光具有吸收系数小等缺点，所以获得的比冲相对较低。因此，通过将单元素靶材，如金属纳米颗粒或碳纳米颗粒，掺入聚合物中来增强聚合物对激光的吸收，可以获得性能更好的掺杂聚合物。
4.虽然掺杂剂的加入能提高掺杂聚合物对激光的吸收，也能产生局部的高温而提升掺杂聚合物的综合推进性能，但由于单元素颗粒的激光烧蚀阈值和熔沸点均远高于聚合物，在激光微推进过程中，金属纳米颗粒或碳纳米颗粒难于在短时间内完全分解离化，因此掺杂聚合物表面易出现局部坍塌和大颗粒溅射现象，同时还易出现烧蚀产物再凝结、分解产物气化不彻底等问题。另外，该制备方法只是一种简单的物理混合过程，还易造成金属纳米颗粒或碳纳米颗粒的团聚和掺杂不均匀，限制了激光微推进效率的提升，进而影响微纳卫星的性能和使用寿命。
5.因此，设计既有聚合物的高冲量耦合系数又具备单元素材料的高比冲的新型聚合物至关重要。有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质。
7.本发明的目的之二在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的制备方法。
8.本发明的目的之三在于提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的应用。
9.本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种超高效率的激光微推进的固态工质，所述固态工质由金属盐和有机配体按照一定比例，在溶剂中于一定温度下进行反应，使金属阳离子与有机配体形成配位后制得；所述固态工质中，金属阳离子的质量百分数为28％～40％。
10.本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质的总体思路如下：
11.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，工质与激光作用过程中，工质将吸收激光的能量，一部分能量使自己融化、气化，另一部分能量用于蒸发并产生等离子体。单元素靶材通常更易形成等离子体，且单脉冲烧蚀深度更小，但获得的冲量较小，所以冲量耦合系数也较小，而聚合物则相反。因此，设计既有聚合物的高冲量耦合系数又具备单元素材料的高比冲的新型聚合物至关重要。
12.本发明提供的固态工质，由金属盐和有机配体按照一定比例形成配位后制得，可以从其金属节点配位层和配体的角度出发，通过改变材料中的金属离子种类和数量、配体的种类、以及相互之间的配位方式，设计出不同金属原子摩尔比例的金属有机框架材料。进一步的，通过精确设计的金属有机框架材料可以获得不同的激光微推进性能。
13.经大量研究发现，本发明提供的固态工质中，金属阳离子的质量分数对其工作性能具有重要的影响，在激光作用金属有机框架材料时，其金属阳离子会影响等离子的激发效果，从而影响该类材料产生的微推进效果。当金属阳离子的含量过低，产生的等离子较少；而如果含量过高，可能会造成等离子体的屏蔽。当控制金属阳离子的质量分数为28％～40％时，该固态工质兼具高冲量耦合系数和高比冲的性能优势，且获得的激光微推进性能远于聚合物、单元素靶材以及掺杂的聚合物。优选地，金属阳离子的质量分数为31％～33％，固态工质的激光烧蚀效率可达45％以上；更优选地，金属阳离子的质量分数为32％，固态工质的激光烧蚀效率可达50％以上。
14.进一步的，所述金属盐包括金属的硝酸盐、水合硝酸盐、氯化盐、水合氯化盐、乙酸盐中的一种或多种；所述金属选自铜、铁、锌、镁、铝中的一种。
15.优选地，所述金属盐选自水合硝酸铁、水合硝酸铜、水合硝酸锌、水合硝酸镁、水合硝酸铝、水合氯化铁、水合硝酸镍、硝酸铜、氯化铜、乙酸铜中的一种或多种的组合。
16.更优选地，所述金属盐选自硝酸铜、水合硝酸铜、氯化铜、乙酸铜中的一种或多种的组合。
17.进一步的，所述有机配体包括苯三甲酸、苯二甲酸、二羟基对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、联吡啶中的一种或多种的组合。
18.优选地，所述金属盐与所述有机配体的质量比为(0.1～1):(0.1～1)。
19.进一步的，所述溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合。
20.优选地，所述金属盐与溶剂的质量体积比为1:(10～50)g/ml。
21.进一步的，所述反应的温度为65～140℃，反应的时间为1～48h。
22.本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的固态工质的制备方法，其包括以下步骤：
23.s1、按比例称取金属盐、有机配体和溶剂，混合至固态颗粒完全溶解，得到混合物；
24.s2、将所述混合物加热反应一定时间，得到产物；
25.s3、对所述产物进行溶剂置换，而后真空干燥，冷却即得到固态工质。
26.优选地，步骤s1中，所述混合于超声条件下或磁力搅拌条件下进行。
27.进一步的，步骤s2中，所述加热反应包括水浴加热、激光热处理、微波热处理中的一种。
28.优选地，所述水浴加热的温度为65～120℃，水浴加热的时间为2～48h。更优选地，
水浴加热的温度为65～85℃，水浴加热的时间为2～24h。
29.优选地，所述微波热处理包括：将金属盐、有机配体在溶剂条件下，置于微波环境中，采用3～8℃/min的升温速率，加热到110～140℃，加热时间为1～2h。
30.优选地，步骤s3中，溶剂置换包括：根据产物在不同溶剂中的溶解性，采用无水乙醇、水、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或多种进行多次置换，避免产物溶解于置换溶剂中。
31.本发明实现目的之三采用的技术方案是：提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的应用，所述固态工质为根据本发明目的之一所述的固态工质，或根据本发明目的之二所述的制备方法制得的固态工质。所述应用包括：将所述固态工质作为激光推进剂应用于激光微推进中，为空间飞行器的姿态调整、变轨提供能量。
32.本发明制得的固态工质呈粉末状态，在使用时，可以通过压片的方式制备成片状，也可以采用刮涂的方式制备成带状，无须其他复杂的处理方式，简单快捷。所述固态工质的冲量耦合系数为169.39～183.65μn/w，比冲为444.62～568.43s，激光烧蚀效率为35.97％～51.15％，具有优异的激光推进性能。
33.优选地，所述固态工质中，金属阳离子的质量分数为31％～33％，激光烧蚀效率达50％以上。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
35.(1)本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质，由金属盐和有机配体按照一定比例形成配位后制得，可以从其金属节点配位层和配体的角度出发，通过改变材料中的金属离子种类和数量、配体的种类、以及相互之间的配位方式，设计出不同金属原子摩尔比例的金属有机框架材料。进一步的，通过精确设计的金属有机框架材料可以获得不同的激光微推进性能。
36.(2)本发明提供的一种超高效率的激光微推进的固态工质的制备方法，工艺简单，通过设计而制备的金属有机框架材料，冲量耦合系数为169.39～183.65μn/w，比冲为444.62～568.43s，激光烧蚀效率为35.97％～51.15％。该固态工质获得的激光微推进性能远高于聚合物、单元素靶材以及掺杂的聚合物，提升了激光微推进技术的性能和工质使用寿命，具有广阔的推广及应用前景。
附图说明
37.图1为本发明实施例用于测量激光微推力的扭摆装置的结构示意图；
38.图2为本发明实施例1-3及对比例1和2制得的固态工质的冲量耦合系数对比图；
39.图3为本发明实施例1-3及对比例1和2制得的固态工质的比冲对比图；
40.图4为本发明实施例1-3及对比例1和2制得的固态工质的激光烧蚀效率对比图。
具体实施方式
41.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
43.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
44.本发明各实施例及对比例涉及的主要原料及参数如下表1所示：
45.表1
[0046][0047]
实施例1
[0048]
本实施例提供了一种用于激光微推进的固态工质，该固态工质的化学式为c8h4o4cu，该固态工质的制备方法如下：
[0049]
制备c8h4o4cu固态工质：用化学天平分别称取1g的水合硝酸铜，0.16g的苯二甲酸，用量筒量取20ml的甲醇。随后在超声机中搅拌至固态颗粒完全融化，随后高温加热至80℃并保持24h，再用无水乙醇及去离子水各置换3次，获得的粉末进行真空烘干，冷却后获得c8h4o4cu固态工质，该固态工质中，金属阳离子的质量百分数为28％。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例提供了一种用于激光微推进的固态工质，该固态工质的化学式为c
18
h6o
12
cu3，该固态工质的制备方法如下：
[0052]
制备c
18
h6o
12
cu3固态工质：用化学天平分别称取0.4g的水合硝酸铜，0.2g的苯三甲酸，用量筒量取5ml的n,n-二甲基甲酰胺、5ml的乙醇及5ml的去离子水。随后在超声机中搅拌至固态颗粒完全融化，随后高温加热至85℃并保持4h，再用无水乙醇及去离子水各置换3次，获得的粉末进行真空烘干，冷却后获得c
18
h6o
12
cu3固态工质，该固态工质的金属阳离子的质量百分数为32％。
[0053]
实施例3
[0054]
本实施例提供了一种用于激光微推进的固态工质，该固态工质的化学式为c8h2o6cu2，该固态工质的制备方法如下：
[0055]
制备c8h2o6cu2固态工质：用化学天平分别称取1g的水合硝酸铜，0.16g的二羟基对苯二甲酸，用量筒量取10ml的n,n-二甲基甲酰胺及10ml的甲醇。随后在超声机中搅拌至固态颗粒完全融化，随后高温加热至65℃并保持2h，再用无水乙醇及去离子水各置换3次，获得的粉末进行真空烘干，冷却后获得c8h2o6cu2固态工质，该固态工质的金属阳离子的质量
百分数为40％。
[0056]
对比例1
[0057]
本对比例提供了一种用于激光微推进的固态工质，该固态工质的化学式为c
28h18
n2o
12
cu，该固态工质的制备方法如下：
[0058]
制备c
28h18
n2o
12
cu固态工质：用化学天平分别称取0.24g的水合硝酸铜，0.21g的苯三甲酸，0.08g的4,4'-联吡啶，用量筒量取15ml的去离子水。随后在超声机中搅拌至固态颗粒完全融化，随后高温加热至100℃并保持24h，再用无水乙醇及去离子水各置换3次，获得的粉末进行真空烘干，冷却后获得c
28h18
n2o
12
cu固态工质，该固态工质的金属阳离子的质量百分数为10％。
[0059]
对比例2
[0060]
本对比例与对比例1相比，其区别在于：有机配体变为苯二甲酸，金属盐、有机溶剂、加热温度及加热时间、溶液置换方式均与实施例1相同。对比例2制得c
26h16
n2o8cu2的固态工质，该固态工质的金属阳离子的质量百分数为21％。
[0061]
性能测试
[0062]
对本发明各实施例及对比例制得的固态工质进行冲量耦合系数、比冲以及激光烧蚀效率测试，测试方法如下：
[0063]
采用的激光光源为nd-yag，波长为1064nm，激光的脉宽为10ns，激光的频率为10hz，单脉冲激光的能量最高大约为0.9j。当脉冲激光能量聚焦在扭摆一侧的靶材上时，靶材由于吸收脉冲激光的能量而形成局部高温，使得靶材表面形成靶蒸汽，靶蒸汽与激光焦点周围空气电离产生的等离子体将形成向外的冲击波，冲击波的反作用力使得靶材被驱动，从而使摆臂在水平方向产生一定角度的偏转，此时摆臂上的探测激光经过摆臂中间的镜子而产生的反射激光将在与摆臂平行的测量尺上移动。通过相机记录反射激光移动的位移，并根据公式可计算激光作用材料产生的冲量值。
[0064]
该测试中，用于测量激光微推力的扭摆装置的结构示意图如图1所示。相关测试见下表2。
[0065]
表2
[0066] 冲量耦合系数(μn/w)比冲(s)激光烧蚀效率(％)实施例1169.39444.6235.97实施例2183.65568.4351.15实施例3178.22481.4540.98对比例177.06202.447.45对比例2159.21330.2925.11
[0067]
由上表可知，
[0068]
本发明实施例1-3通过控制固态工质中金属阳离子的质量分数，制得的固态工质的冲量耦合系数为169.39～183.65μn/w，比冲为444.62～568.43s，激光烧蚀效率为35.97％～51.15％。
[0069]
进一步的，图2-4展示了本发明实施例1-3及对比例1和2制备的固态工质的各项性能随金属阳离子的质量分数的改变的变化趋势。由图2-4可知，随着固态工质内金属阳离子
含量的提高，冲量耦合系数、比冲均呈现了先增大后降低的趋势，其中，实施例2金属阳离子的含量为32wt.％时，制得的固态工质带来的激光烧蚀效率最佳，超过50％。
[0070]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种超高效率的激光微推进的固态工质，其特征在于，所述固态工质由金属盐和有机配体按照一定比例置于溶剂中，于一定温度下进行反应，使金属阳离子与有机配体形成配位后制得；所述固态工质中，金属阳离子的质量百分数为28％～40％。2.根据权利要求1所述的固态工质，其特征在于，所述金属盐包括金属的硝酸盐、水合硝酸盐、氯化盐、水合氯化盐、乙酸盐中的一种或多种；所述金属选自铜、铁、锌、镁、铝中的一种。3.根据权利要求1所述的固态工质，其特征在于，所述有机配体包括苯三甲酸、苯二甲酸、二羟基对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、联吡啶中的一种或多种的组合。4.根据权利要求1所述的固态工质，其特征在于，所述金属盐与所述有机配体的质量比为(0.1～1)：(0.1～1)。5.根据权利要求1所述的固态工质，其特征在于，所述溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合。6.根据权利要求1所述的固态工质，其特征在于，所述反应的温度为65～140℃，反应的时间为1～48h。7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的固态工质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、按比例称取金属盐、有机配体和溶剂，混合至固态颗粒完全溶解，得到混合物；s2、将所述混合物加热反应一定时间，得到产物；s3、对所述产物进行溶剂置换，而后真空干燥，冷却即得到固态工质。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述加热反应包括水浴加热、激光热处理、微波热处理中的一种。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，溶剂置换包括：根据产物在不同溶剂中的溶解性，采用无水乙醇、水、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或多种进行多次置换。10.一种超高效率的激光微推进的固态工质的应用，所述固态工质为根据权利要求1-6中任一项所述的固态工质，或根据权利要求7-9中任一项所述的制备方法制得的固态工质，其特征在于，将所述固态工质作为激光推进剂应用于激光微推进中，为空间飞行器的姿态调整、变轨提供能量。

技术总结
本发明提供一种超高效率的激光微推进的固态工质，由金属盐和有机配体按照一定比例置于溶剂中，于一定温度下进行反应，使金属阳离子与有机配体形成配位后制得；该固态工质中，金属阳离子的质量百分数为28％～40％。本发明还提供一种超高效率的激光微推进的固态工质的制备方法，通过改变材料中的金属离子种类和数量，配体的种类，以及相互之间的配位方式，设计出不同金属原子摩尔比例的金属有机框架材料；通过精确设计的金属有机框架材料可以获得远高于聚合物、单元素靶材以及掺杂的聚合物的激光微推进性能。本发明提供的固态工质兼具高冲量耦合系数以及高比冲的性能优势，具有更高的激光烧蚀效率，提升了激光微推进技术的性能和工质使用寿命。和工质使用寿命。和工质使用寿命。


技术研发人员：饶森林 程佳瑞 江浩庆 刘锋
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/7