随着太空探索领域的不断发展，对新一代航天器的需求持续上升。微/纳米卫星由于具有开发周期短、重量轻、发射灵活和快速联网等优势，成为了这一新时代的重要贡献者。这些卫星在地球科学、军事通信和民用应用等领域发挥着关键作用，导致其发射频率稳步增加。由于微/纳米卫星重量轻，推进需要低推力和低至10^-9~10^-3 Ns的点火脉冲。因此，为其配备微脉冲（MP）系统有助于精确的轨道和姿态调整及其他推进任务。与其他MP方法相比，激光推进具有成本效益、高比冲和出色的推力功率比等众多优势，使其成为一种有前途的MP技术而备受关注。因此，激光微推进（LMP）技术在微/纳米卫星推进中获得了重要的认可和应用。然而，一些挑战阻碍了LMP技术的广泛采用，推进剂的选择就是关键问题之一。

目前，激光微推进剂包括聚合物、单元素靶(SETs)。聚合物具有低热导率、低熔点和低烧蚀阈值等优点，使其具有高脉冲耦合系数（Cm）。然而，存在吸收效率有限、烧蚀深度大和烧蚀质量高等缺点，限制了所达到的比冲（Isp）。SETs在激光烧蚀过程中表现出电离率高、烧蚀深度浅、烧蚀质量低和等离子体形成等有利特征，使SETs实现更高的Isp。同时，面临增加的高吸收系数、提高的热导率和更高的激光烧蚀阈值等挑战，从而导致更低的Cm。为了解决这些限制，研究人员探究了将SET掺入聚合物中，以增强激光吸收和整体推进性能。

尽管掺杂剂增强了激光吸收并产生局部高温，但是，激光烧蚀阈值的差异以及聚合物基体和单元素颗粒之间的熔点/沸点差异，阻碍了LMP过程中的完全分解和电离。因此，会出现局部坍塌、颗粒溅射、碳化、烧蚀产物再凝聚、杂质团聚和分解产物不完全气化等问题。此外，目前物理混合的制备方法经常导致颗粒团聚和不均匀掺杂，限制了推进性能的提高。因此，一个理想的解决方案在于开发出一种新材料，能表现出聚合物的高Cm和SET的高Isp，有效地结合了LMP技术的最佳特性。

与传统的多孔材料或聚合物相比，MOFs具有高度有序的多孔结构、大的比表面积、高的孔隙率、优异的化学和热稳定性及低热导率等特性。此外，MOFs的孔径和晶体结构还可调节，通过调节有机配体、金属离子和所采用的配位方法来实现。这些性能有助于高效的激光吸收和沉积。MOFs的高孔隙率可以降低推进剂的密度，有利于微/纳米卫星中轻质系统的设计。并且，MOFs的高孔隙率还保持了较低的热导率，有助于激光照射区域的高能量利用率，从而导致较少的烧蚀质量。因此，MOFs具有作为LMP推进剂材料的巨大潜力。然而，MOFs在激光微推进剂的应用，特别是在LMP中未得到探索。

近日，美国普渡大学Gary J. Cheng和河南科学院激光制造研究所Haoqing Jiang合作报道了一种新方法，通过修饰配体类型、金属离子及其在MOF结构中的配位模式，设计出具有不同金属原子分数的MOFs，作为脉冲LMP中的新型推进剂。MOFs由金属阳离子和有机配体组成，通过配位形成有序结构，消除了传统LMP中遇到的由不均匀物理混合引起的局部热区的问题。与推进剂材料相比，MOFs表现出更高的LMP效率。通过精确调整MOFs中的金属原子分数，在脉冲LMP中实现了51.15%的超高效率，超过了先前文献中报道的类似材料的性能。MOFs的这一开创性应用，不仅彻底改变了激光微脉冲领域，而且为MOF在各种能源中的应用开辟了新领域。

相关研究工作以“MOFs for Ultrahigh Efficiency Pulsed Laser Micropropulsion”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

为了评估不同推进剂的LMP性能，对脉冲激光作用后的表面形态进行了研究。所有材料都受到Nd:YAG纳秒激光照射，波长为1064 nm，脉冲宽度为10 ns，频率为10 Hz。使用能量计测量单个脉冲激光器的能量大约为0.9 J。为了实现更高的能量密度，采用聚焦透镜（f=200 mm，Φ=25.4 mm），激光能量通量为4.414 GW·cm^-2。为了进行比较，选择了之前报道的推进剂，包括C纳米颗粒、聚合物材料（如聚氯乙烯（PVC）和聚四氟乙烯（PTFE））和聚合物复合材料（如PTFE/C，PVC/C， PVP（聚乙烯吡咯烷酮）/C和PVC/Fe）。此外，还研究了HKUST-1（一种具有成本效益的含铜MOF）的LMP性能。HKUST-1通过三水合硝酸铜和苯甲酸的溶剂热反应合成，呈蓝色八面体晶体结构，尺寸约为10 μm。活化的HKUST-1晶体的BET表面积测量为1480 m²/g，与之前报道类似。

SEM揭示了烧蚀表面的独特特征，辐照后，PVC显示出可见的碎片、粗糙的烧蚀弹坑边缘和弹坑周围的显著团聚（图2A和2B）。相比之下，单脉冲激光与金属SETs相互作用，导致熔口周围的熔融金属喷出并随后凝结，形成残留物（图2F和2G）。单脉冲激光冲击后烧蚀深度的轮廓仪分析表明，PVC深度相对较大，为30μm（图2D和2E），而C深度为7μm（图2I和2J）。由于C与PVC相比，其光吸收系数更高。此外，对PVC和C的烧蚀产物颗粒进行了量化，其平均尺寸分别为~60 μm和~7 μm（图2C和2H）。在PTFE/C情况下，SEM显示了粗糙的烧蚀坑边缘、可见碎片、烧蚀产物再沉积、C纳米颗粒在坑周围聚集以及表面形态不均匀（图2K和2L）。此外，在烧蚀表面上观察到许多局部塌陷（图2L）。从轮廓仪测试和UV-Vis-NIR吸收光谱分析中显示，在PTFE中添加C纳米颗粒后，激光吸收显著增强，导致单脉冲烧蚀深度仅减少13 μm（图2N和2O）。然而，C/Fe纳米颗粒的存在产生了一个高温区，促进了周围PTFE材料的分解、气化和电离。尽管有这些影响，C/Fe的高熔点/沸点阻止了它们在短时间内完全蒸发或电离。因此，在完全分解之前，这些颗粒会从目标表面过早喷出。

在聚合物复合材料的情况下，观察到局部坍塌、烧蚀产物再沉积和C纳米颗粒聚集（图2L）。PTFE/C烧蚀产物颗粒的平均尺寸约为20 μm，一些达到40μm，某些区域显示出约50 μm的大团聚体（图2M）。这些可归因于C/Fe纳米颗粒在激光脉冲的短时间尺度内的不完全蒸发或电离。因此，这些颗粒的过早喷射和不完全分解导致了与表面相关的问题，并形成了更大的烧蚀产物颗粒。尽管通过将C纳米颗粒掺入PTFE中，实现了激光吸收增强，但次优的蒸发和电离动力学阻碍了实现较小烧蚀深度和产生均匀烧蚀产物颗粒的整体性能。这些发现强调了不仅要考虑激光吸收增强，还要考虑掺杂剂纳米颗粒的有效蒸发和电离特性，以实现最佳LMP性能的重要性。

对HKUST-1烧蚀产物粒度的分析显示出均匀性和较小的粒度，范围为4-9 μm（图2R）。相比之下，PTFE/Ce表现出较大的颗粒尺寸（~20 μm），而PVC/C和PVC/Fe表现出更宽的颗粒尺寸范围（分别为5~25 μm和7~24 μm）并存在大颗粒。这种差异可归因于每单位体积材料烧蚀所需的能量。HKUST-1的烧蚀能量为30.51 kJ/cm³，而PTFE/C、PVC/C和PVC/Fe的烧蚀能量更高，分别为75.23、70.51和47.09 kJ/cm³。HKUST-1的烧蚀能量要求较低，再加上激光能量通量，导致产生小等离子体碎片的倾向更高，该特性有助于提高LMP的有效性和总体LMP效率（η）（图1C、2Q和3E）。

SEM成像显示，在脉冲激光作用后，HKUST-1内存在大量空腔和均匀的多孔结构（图3E）。使用TEM进一步证实了存在平均尺寸约为4 nm的均匀铜（Cu）纳米颗粒（图3F、3G和3H）。这一发现进一步支持了HKUST-1在脉冲激光下进行充分分解，这有利于实现最佳LMP性能。结果表明，与聚合物复合材料相比，HKUST-1具有较小的颗粒尺寸、均匀的多孔结构和均匀的Cu纳米颗粒等的独特性能，有助于其优异的LMP性能。这些发现突出了HKUST-1作为一种有前景的有效LMP应用材料的潜力。

总之，这项研究提出了一种利用MOFs作为推进剂的创新LMP技术。传统LMP方法存在由不均匀物理混合引起的局部热区的问题，MOFs的特征结构克服了这一挑战。通过精确控制MOFs中的金属原子比，在脉冲推进中实现了51.15%的卓越LMP效率，超过了现有文献中报道的类似材料。这种卓越的性能使MOFs成为LMP技术中有前途的推进剂。

本研究中证明的超高效率强调了MOFs作为一种先进且通用的推进剂材料的潜力，对未来的太空探索、卫星机动以及其他需要高效精确推进系统的应用具有重要意义。此外，MOFs在LMP技术的利用中提供了优势，通过操纵金属质量分数来提高激光吸收、提高能量利用率和可控性能。这些特性可实现激光推进剂的定制设计和优化，为进一步提升LMP效率和有效性提供了机会。这项研究的意义在于激光器和MOFs的成功集成，为其在LMP和能源相关领域的广泛应用开辟了新的领域。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306228

本文为e测试原创，未经允许，禁止转载！