引言

微纳卫星的快速发展，对微推进系统提出了很高的要求。由于微纳卫星具有质量轻、体积小等特点[1]，其在卫星轨道保持和姿态控制方面所需的推力的量级在10-9～10-3N之间，因而所需要的精度更精准[1-2]。伴随着近年来激光技术的迅猛发展，在微推进领域，激光烧蚀微推进技术越来越受到人们的关注，正成为一种热门科技[3-4]。Kantrowitz[5]在1972年提出激光推进概念 ，即高能激光加热工质，使得工质气体热膨胀或者产生等离子体，间接产生推力。之后的研究由激光推进器的设计和可行性验证向推进剂推进性能方面拓展。Schal团队[6]研究了不同聚合物在单脉冲CO2激光辐照下的烧蚀推进性能，认为聚甲醛的烧蚀产物气化程度最高，是常见聚合物中的首选推进剂。Sinko等[7]用波长为10.6 μm的脉冲激光研究了一些常见聚合物的推进性能，包括聚甲醛、醋酸纤维素、乙酸丁酯纤维素、醋酸丙酸纤维素等多种聚合物。Nakano等[8]对B/KNO3和PVC的推进性能进行了对比，推力提高420倍，冲量耦合系数提高近560倍。Phipps等[9]研究了超过120种烧蚀靶材，确定了黑色PVC聚合物为烧蚀层靶材，发现了含能材料拥有更高的比冲和冲量耦合系数。由国内外研究看[10-12]，含能材料因拥有更高的比冲和冲量耦合系数，在激光烧蚀微推进技术领域成为热门研究对象，其中，烧蚀工质如端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP)多为胶体状或其他材质，需要经掺杂工艺的二次处理，工质状态经胶体-固体或固体-胶体-固体转换，转换过程中不可避免产生气泡，气孔的存在会严重影响靶带质量和激光烧蚀过程。目前，针对烧蚀靶带致密性的研究尚缺，降低气孔率工艺有待完善。

（一）玉米3-5叶期：50%乙草胺乳油80-100ml/亩，或33%除草通乳油100-150ml/亩，对水40-50kg，喷洒行间地表。

针对靶带气孔率高、致密性低的问题，研究改进了烧蚀层的药剂配方，并且优化了其涂覆成型工艺。

1 实验

1.1 样品与仪器

GAP；甲苯二异氰酸酯(TDI)；六甲基二异氰酸酯(HDI)，99%；异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，99%；异氰酸酯(N100)，—NCO的摩尔分数20%；二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。

真空干燥烘箱，DZ-2BC，上海精宏实验设备有限公司；场发射扫描电子显微镜(SEM)，S-4800Ⅱ，日本Hitachi公司；激光共聚焦显微镜，LEXTOLS3100，日本Olympus公司。

其次，相关法制建设缺乏。在政府数据开放及应用方面，为能够得到更好效果，必须要具备法律法规作为保障。然而，目前法制建设并不完善，有关的法律法规比较缺乏，导致政府数据开放及应用缺乏法律依据及支持，从而使数据开放及应用受到影响。另外，相关法律法规制度并未能够得到落实，往往只是停留于形式层面，导致政府数据开放及应用缺乏一定约束，无法实现其应用效果，并且还可能会导致严重不良影响。

1.2 GAP工质制备

取GAP 4 g，固化系数R为1.2。具体步骤如图1。

图1 实验流程 Fig.1 Experimental flow

以IPDI为固化剂，做5组平行试验，控制固化系数R从1.1～1.5。实验结果如图5(从左到右，R值分别为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5)。

1.3 GAP靶表征

1.3.1 烧蚀层热分析

使用DSC热分析仪对靶带烧蚀层进行分析，升温速率分别设定为10、15、20℃/min，温度设定为30～600℃。

如图2(a)所示，GAP存在二级质量损失过程，第一级质量损失△m在200～260℃之间，第二级质量损失在260～600℃之间，整个热分析过程质量损失量的速率保持在一个固定范围内。图2(b)可得出不同的升温速率条件下质量损失速率不变；GAP的DTA曲线在250℃有主放热峰，并且随着升温速率的增加，峰顶的温度向升温方向移动，放热峰的面积变大。图2(c)为TG曲线对温度微分后的质量损失。

可我没想到的是，过完年没几天，老家的一个邻居竟然找上门来，带来了大包大包的羊肉。原来，婆婆把羊杀了后，依然舍不得放在家里自己吃，正好邻居进城有事，她便托邻居将羊肉全都带了过来。那一刻，看着满满一大包的羊肉，我的心里充满了感激与温暖……

如图5所示，当R值为1.1～1.3时，制备的GAP样品硬度小，形貌为有一定流动性的胶体，不符合靶带制备的要求；R值为1.4时，可以达到靶带制备要求，但是GAP样品伴有气孔产生；R值为1.5时，气孔急剧增加。综合整个实验对比，在固化GAP的硬度满足实验要求情况下，要尽量减少气孔的产生。

图2 GAP的TG-DSC和DTA曲线 Fig.2 TG-DSC and DTA curves of GAP

夕阳完全沉沦后，蓝眼睛的波斯猫才返回家中。书房里熄着灯，波斯猫疾步冲进来，却不承想被地板上的玻璃碴子刺痛了脚掌——是那杯破碎的明前茶最后留下的——“明明是苦中带涩的液体，有什么值得欢喜？”——它轻巧地踩过去，就像什么都没发生过一样。

1.4 表面气孔率测试

图3 烧蚀靶带的红外光谱分析 Fig.3 Infrared spectrum analysis of ablated target band

机械设计是一门应用性很强、对学生工程设计能力培养十分有意义的课程.作为地方性高校，应用型人才是我们的培养目标，这就要求我们面对学生的整体素质、社会对学生能力和素质的需求做较多的思考.虽然上述课程质量标准还存在一定的不足，但可以逐步完善，同时通过机械设计课程质量标准的研究与制定，使我们对课程的定位更明确、课程的教学过程更规范、教学措施更有效.

图4 ImageJ软件分析图 Fig.4 Analysis by Image J software

2 实验结果与分析

2.1 不同固化剂的固化效果

由表1可以看出，不同的固化剂，固化效果有差异。TDI的固化速率最高；但是其固化存在明显弊端，GAP剧烈膨胀，不可避免地产生大气孔，使得内部蓬松，不符合后期靶带制备要求。HDI固化速率中等，得到的样品硬度比较大，表面不可避免存在大量气孔。N100的官能度理论上比HDI大，在实验中N100的固化效果和HDI接近，其固化时间相对来说更长。IPDI固化周期最长，得到的固化GAP和靶带软度比较大，为流动性胶体，但表面气孔率明显降低，并且样品内部几乎不存在气孔。为解决IPDI硬度较小的问题，进一步研究了固化系数对靶带硬度的影响规律。定义固化系数R＝n(—NCO)∶n(—OH)。

表1 不同固化剂固化效果 Tab.1 Curing effect of different curing agents

样品固化剂与GAP质量比/%固化图固化时间/d胶片状态IPDI5.91＞7软，表面气泡少，内部密度较高，胶片有弹性HDI4.473～5硬度高，气泡较多，内部形成较多多孔结构TDI4.63＜2蓬松状态，涂覆效果很差N10011.1714胶片偏软，整体偏脆，气孔数量较少

将GAP倒入培养皿并摊均匀。真空干燥6～20 h，设定温度50℃并且抽真空；将上述GAP倒入烧杯，与碳粉混合并搅拌均匀；混入抑水剂间苯二酚，搅拌5～10 min；混入固化剂IPDI，搅拌5～10 min；混入固化催化剂DBTDL，搅拌10～15 min；将得到的混合溶液再次真空干燥，条件不变；将干燥完毕的混合溶液涂覆到聚酰亚胺靶带上，同样条件再次真空干燥1～2周，即得到最终靶带。

图5 不同R值的固化后形貌 Fig.5 Morphology after curing with different R values

1.3.2 红外光谱分析

2.2 涂覆厚度对靶带气孔率的影响

通过激光扫描共聚焦显微镜来观察靶带表面的气孔分布情况，图9和图10为激光共聚焦显微镜所观察到的靶带表面气孔形貌。

使用场发射扫描电子显微镜对靶带上表面扫描拍摄，放大400倍得到气孔样片，如图8所示。

GAP靶带涂覆实验环境控制为真空，因此气泡大部分集中在靶带表面，内部气泡可忽略不计。利用Image J软件可对显微镜下的靶带气孔形貌图进行气孔率分析，主要原理是通过对图片的特定像素统计处理，进一步用来对图片内特定颗粒计数，利用颗粒分析中的色差分析方法，表征出实验中所需要的靶带气孔率。由于气孔与靶带表面的色差较为明显，故可以通过色差分析标出明显有气孔的部分，并计算该部分面积。如图4，表面气孔率为气孔面积与总面积之比，约为14.4%。

涂覆厚度与所得靶带厚度对比如图6所示。由于GAP的黏性及流动性限制，结合客观实验条件，当靶带的厚度低于150 μm时会产生涂覆不匀。故本次实验中选用4组平行实验，涂覆厚度分别为150、200、250、300 μm，进一步研究不同涂覆厚度对气孔率的影响。所得实验结果如图7所示。

图6 不同涂覆厚度制得的烧蚀层厚度 Fig.6 Thickness of ablation layer prepared by scraper with different thickness

图7 涂覆层厚度对靶带气孔率的影响 Fig.7 Effect of coating thickness on porosity of the target

图8 靶带表面气孔的SEM图 Fig.8 SEM photo of the surface pore of the target

图9 靶带表面气孔分布 Fig.9 Distribution of surface pores of the target

图10 气孔形貌 Fig.10 Stomatal morphology

由图11可知，GAP靶带表面气孔率和涂覆厚度成正比。当涂覆层厚度较低时，气泡生成的概率较低。

本实验中所用GAP的氢键端部O—H伸缩振动在3 500～3 200 cm-1之间；图3(a)为没有进行实验操作的GAP，在3 500～3 200 cm-1之间羟基的透过率约90%，说明样品端羟基没有进行固化反应。图3(b)为制备的靶带烧蚀层，异氰酸酯将活性端羟基封闭，在3 500～3 200 cm-1区域内羟基的透过率几近为100%。说明实验靶带固化效果良好。

图11 不同涂覆层厚度的靶带表面气孔形貌 Fig.11 Surface pore morphology of the target with different coating thickness

斯托克斯公式为:

式中:μt为气泡上升速率，m/s；Δρ为密度差，Δ ρ＝(ρl-ρg)，kg/m3；ρl为液体的密度，kg/m3；ρg为气泡的密度，kg/m3；δ为矫正值，δ＝(2η＋2η0)/(3η＋3η0)；η为原液的动力黏度，Pa·s；η0为气泡的动力黏度，Pa·s；db为气泡的直径，m；g为重力加速度，m/s2。

由式(1)可知，实验中涂覆层厚度越低，由于气泡受到压力比较小，故db较大，μt增大，气孔率就越低。

2.3 GAP固化温度对靶带气孔率的影响

受GAP特性限制，配合固化剂的使用可使其反应并形成固体状，但固化时不可避免产生气孔。研究表明，温度对GAP固化气孔率有较大的影响，所以进行不同组别实验，以便研究不同温度对靶带气孔率的影响。实验的涂覆厚度控制为200 μm。如图12和图13所示。

由图12和图13可知，固化温度在40～50℃之间为宜。实验条件下，异氰酸酯类固化剂在室温条件下便可以固化，40℃比30℃固化效果要好，是因为适当的加热可以使靶带的流动性增加，从而在固化初期溢出更多的气孔。当温度上升至60℃时，固化反应急剧加快，这使得GAP迅速固化，而气孔溢出速率变化不大；并且由于温度增加，GAP流动性增加，不同气泡会融合在一起形成较大的气泡，使得GAP内部膨胀，并且气孔率加大。

视频识别技术可以帮助车辆更加快捷地这寻找停车位置，并对校园内车辆进行更加全面和迅速的管理，高校在引入了技术的同时，也需要注意制度的建设，并加强对交通法规的宣传工作，提升高校的交通管理水平。

图12 固化温度对靶带表面气孔率的影响 Fig.12 Effect of curing temperature on surface porosity of the target

图13 不同涂覆温度下靶带表面气孔形貌 Fig.13 Surface pore morphology of the target at different coating temperatures

3 结论

固化剂选择IPDI，R控制为1.4，涂覆厚度为200 μm，固化温度为40～50℃时得到的GAP靶带致密性、硬度最优。这一改进有助于靶带式激光微推进器冲量和推力的提升。目前，受实验研究限制，对推进剂内部气孔率检测暂未进行，未来研究可进一步加强对推进剂内部气孔率的控制和研究上。

式中:kp为比例系数;ki为积分系数;kd为微分系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;e(t)为误差,de(t)/dt为误差导数.

参考文献

[1] 林来兴.现代小卫星的微推进系统[J].航天器工程，2010，19(6):13-20.LIN L X.Micro-propulsion system for madern small satellites[J].Spacecraft Engineering，2010，19(6):13-20.

[2]BIRKAN M A.Laser propulsion-research status and needs[J].Journal of Propulsion and Power，1992，8(2):354-360.

[3] RATHER J D G.Ground to space laser power beaming:missions，technologies，and economic advantages[J].Beamed Energy Propulsion:First International Symposium on Beamed Energy Propulsion.AIP Conference Proceeding，2003，664(1):37-48.

[4] MYRABO L N，MESSITT D G，MEAD F B，JR.Ground and flight tests of a laser propelled vehicle[C]//36th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，NV，USA，1998:1001.

[5] KANTROWITZ A.Propulsion to orbit by ground based lasers[J].Aeronaut Astronaut，1972，10:74-76.

[6] SCHALL W O，ECKEL H A，TEGEL J，et al.Characterization of the absorption wave produced by CO2laser ablation of a solid propellant:0704-0188[R].Stuttgart:DLR-German Aerospace Center Institute of Technical Physics，2005.

[7] SINKO J E，PHIPPS C R.Modeling CO2laser ablation impulse of polymers in vapor and plasma regimes[J].Applied Physics Letters，2009，95(13):131105.

[8] NAKANO M，KOIZUMI H，INOUE T，et al.Experimental investigation of a chemically-augmented，diode laser thruster for microspacecrafts[C]//40th Aiaa/Asme/Sae/Asee Joint Propulsion Conference and Exhibit.Fort Lauderdale，Florida，USA，2004:3799.

[9] PHIPPS C R，LUKE J R.Micro laser plasma thrusters for small satellites[C]//Proceedings of SPIE:The International Society for Optical and Engineering，2000:801-809.

[10] ZHENG Z Y，ZHANG J，HAO Z Q，ea al.Paper airplane propelled by laser plasma channels generated by femtosecond laser pulses in air[J].Optics Express，2005，13(26):10616-10621.

[11] 程建中，蔡建，胡云，等.掺杂金属颗粒的高分子工质激光推进实验研究[J].强激光与粒子束，2008，20(7):1190-1194.CHENG J Z，CAI J，HU Y，et al.Experimental study of laser propulsion by using polymer propellant doped with metal powders[J].High Power Laser and Particle Beams，2008，20(7):1190-1194.

[12] 窦志国，姚宏林，王军，等.激光推进工质推进性能研究[J].装备指挥技术学院学报，2007，17(6):99-103.DOU Z G，YAO H L，WANG J，et al.Research on the propulsive performance of laser propulsive working medium[J].Journal of the Academy of Equipment Command＆Technology，2007，17(6):99-103.